ננו-ארכיטקטורות סוללות יוני-ליתיום – הבדלי גרסאות
Dvirhalevieng (שיחה | תרומות) יצירת דף עם התוכן "{{טיוטה פרטית}} ננוארכיטקטורות סוללות ליתיום-יון ננוארכיטקטורות סוללות ליתיום-יון, הוא..." |
(אין הבדלים)
|
גרסה מ־20:04, 25 באוקטובר 2015
 |
דף זה אינו ערך אנציקלופדי
| |
| דף זה אינו ערך אנציקלופדי | |
ננוארכיטקטורות סוללות ליתיום-יון
ננוארכיטקטורות סוללות ליתיום-יון, הוא שם כולל לתחום המחקר והטכנולוגיות הבאות לשפר את התכנון הקיים של סוללות ליתיום-יון, השכיחות בעיקר במכשירים אלקטרונים ניידים. תחום המחקר והטכנולוגיות מתמקד בשיפור צפיפות האנרגיה וההספק, מחזור חייהן, עמידותן, בטיחותן ועלותן של סוללות הליתיום-יון.
תחומי מחקר
צפיפות אנרגיה
שיפור צפיפות האנרגיה מצריך פליטת וקליטת יונים גבוהה מהאלקטרודות. קיבולת האלקטרודה תלויה בשלושה גורמים: קיבול ליחידת מסה [ ], קיבול ליחידת נפח וקיבול ליחידת שטח.
צפיפות הספק
שיפור צפיפות ההספק מבוססת על יכולת העברת מטענים (אלקטרונים ויונים) גדולה בזמן קצר, מתבצעת ע"י הקטנת המרחק הדרוש למטען לעבור והגדלת שטח החתך שבו עובר המטען.
אנודה (קולט)
אנודות פחמן שכיחות בסוללות ליתיום-יון בשל יכולתן לביצוע עיבור (החדרת מולקולה או יון לתרכובות עם מבנים שכבתיים) בנפח אנודה קטן, מחד דבר זה מהווה יתרון יחסי לאור מגבלות גודל הסוללות, מאידך דבר זה מהווה חיסרון משום שתהליך העיבור מביא להקטנת יכולת טעינת הסוללה. אנודות פחמן (LiC6) בעלות קיבול ליחידת מסה של 372 mAh/g . סיליקון בעל קיבול ליחידת מסה הגדולה פי עשרה משל פחמן, רדיוס אטום סיליקון הוא 1.46 אנגסטרם בעוד שרדיוס אטום ליתיום הוא 2.05 אנגסטרם. מבנה של Li3.75Si הוא בעל נפח גדול הגורם להרס הדרגתי באנודה. הקטנת נפח של האנודה למימדים ננו-מטרים תביא להקטנת הפגיעה באנודה ושיפור במחזור חייהן של סוללות הליתיום-יון. הקטנת האנודות למימדים ננו-מטרים מקטינה את הפסדי ההולכה (התנגדות אוהמית) בין האנודה לקתודה. ננוארכיטקטורה משפרת את יחס שטח המגע ליחידת נפח, טכנולוגיה המביאה לשיפור בצפיפות האנרגיה ובצפיפות ההספק בכך שהאזור האלקטרוכימי הפעיל גדל והמרחק בין האנדוה לקתודה קטן. יחד עם זאת ננוארכיטקטורה גורמת לעליה בפריקה העצמית ובקיצור מחזור חייהן של סוללות הליתיום-יון. כיום, מספר מחקרים מתמקדים בפיתוח חומרים, המגדלים את האזור האלקטרוכימי הפעיל, בטווח שאינו גורם לתגובות של פריקה עצמית מואצת.
ארכיטקטורת ננו
כיום רוב סוללות מתוכננות בגיאומטריה דו-ממדית ובנייה בשכבות. [1] מחקר שנערך לאחרונה יצר אלקטרודות בגיאומטריה תלת-ממדית, ונמצא שיפור משמעותי בקיבול הסוללה, אל מול סוללות עם אלקטרודות הבנויות בגיאומטריה דו-ממדית.[2]
סוללות דקות בגאומטריה תלת-ממדית
סוללות מצב מוצק לרוב מושתתות על אותה גיאומטריה המצויה בסוללות דקות, סוללות דקות בגאומטריה תלת-ממדית משתמשות בממד השלישי על מנת להגדיל את האזור האלקטרוכימי הפעיל. סוללות דקות בגיאומטריה דו-ממדית, מוגבלות בין 2-5 מיקרומטרים ובעלות יכולות קיבול פחותות מאשר סוללות דקות בגאומטריה תלת-ממדית. יצירת הממד הנוסף מבוצעת על ידי שימוש במצע מנוקב, יצירת הנקבים מתבצעת ע"י תחריט פלזמה על מצע סיליקון. [3]
גישה נוספת ליצור ממד נוסף הינה שימוש באלקטרוכימיה על גבי מצע סיליקון או ביצוע חריטה באמצעות יונים על לקבלת עומק. השכבות הנחוצות (אנודה, מבודד וקתודה) של הסוללה, חוברו באמצעות שיקוע כימי בלחץ נמוך. הסוללה מורכבת משכבות סיליקון דקות, כאשר שכבת הסיליקון הפעיל מופרדת מהשכבה הקתודית הדקה על ידי אלקטרוליט מצב מוצק. האזור האלקטרוכימי הפעיל מורכב מחלקיקים שגודלם כ-50 ננומטר, קטנים יותר מהגודל הקריטי המאפשר יצירת סדק. [4]
אלקטרודות Interdigitated
ארכיטקטורה נוספת היא מקבץ קטבים של אנודות וקתודות, ארכיטקטורה זו מחליפה את השימוש בקטבים רגילים. בשיטה זו צפיפות ההספק והאנרגיה מוגדלת על ידי מזעור הפרדת אלקטרודות. צפיפות זרם לא אחידה מורידה את יעילות התא, מפחיתה את יציבות התא ומייצרת חימום לא אחיד בתוך התא. ביחס לסוללה דו-ממדית, שבא האורך ((L משפיע על זרימת הזרם וגורם לירידה של כ-66% מהאפקטיביות הסוללה על ידי הפסדים אוהמיים. אופטימיזציה של האורך יכולה להוביל לשיפור משמעותי ביכולת הקיבול של הסוללה, אורך מסדר גודל של 500 מיקרומטר משפר ב-350% את קיבולת הסוללה בהשוואה לסוללה דו-ממדית. עם זאת, הפסדים אוהמיים גדלים עם הגדלת האורך, כך שבסופו של דבר מושג שיפור באמצעות אופטימיזציה של האורך.
לגיאומטריה זו, ארבעה סוגי תכן עיקריים: סידור אנודות וקתודות בשורות, סידור מתחלף של אנודות וקתודות, סידור אנודות וקתודות (הבנויות בעיצוב משולש) בצורה הקסגונלית (משושה) ביחס של 1:2 בהתאמה, סידור מתחלף של אנודות וקתודות כאשר לשניהם קטבים משולשים בזמן שהצומדים בשורה מסובבים ב-180 מעלות.
לסידור אנודות וקתודות בשורות התפלגות זרם לא אחידה, לסידור מתחלף של אנודות וקתודות התפלגות זרם טובה יותר, בהתחשב במספר הגדול של אלקטרודות בעלות קוטביות הפוכה. למערכות עם אנודות או קתודות שאינן רגישות לצפיפות זרם לא אחידה, ניתן להשתמש בכמות אה-סימטרית של אנודות וקתודות, סידור אנודות וקתודות בצורה הקסגונלית מאפשר צפיפות זרם אחידה באנודה אך צפיפות זרם לא אחידה בקתודה. שיפור בביצועים ניתן להשיג על ידי שינוי צורת הקטבים. העיצוב המשולש של הקטבים משפר את קיבול והספק התא זאת בא על חשבון אחידות הזרם. [5]
בשנת 2013 חוקרים יצרו שכבות ואלקטרודות interdigitated באמצעות הדפסה תלת ממדית. גודלה של הסוללה קטן היה מגרגיר החול. תהליך זה הביא לקירוב של האנודות לקתודות יותר מאשר שיטות אחרות. את החומר לדיו האנודה ייצרו מחלקיקים של תרכובת תחמוצת מתכת ליתיום מסוג אחד, ואת החומר לדיו לקתודה ייצרו מחלקיקים של תרכובת תחמוצת מתכת ליתיום מסוג אחר. ההדפסה בוצעה על משטח הבנוי משני מסרקי זהב שעליו נערמו שכבות של אנדות וקתודות. [6][7]
אלקטרודות בעלות מרכז משותף
לגיאומטריה זו דימיון ישיר לגיאומטרית Interdigitated רק שבמקום קטבי אנודה וקתודה יחידים, האנודה או הקתודה מוחזקים כמוט מצופה באלקטרוליט. אלקטרודה נוספת משמשת לרציפות בין מיקום האנודה לקתודה. יתרון בגיאומטריה זאת הוא כי כמות האלקטרוליט מצטמצמת ומתקבל שיפור בצפיפות האנרגיה בתא. גיאומטריה זו שומרת על מרחק הולכה קצר כמו בגיאומטרית Interdigitated ובכך יש יתרון דומה לטעינה ולצבירה, תוך הקטנת ההפסדים האוהמים. [1]
אופל הפוך
גיאומטריה של חלקיקים בעלי מרכז משותף המסודרים בגליל או פולימרים ליצירת אנודת פחמן במבנה חרירים תלת-מימדי(3DOM), זאת באמצעות בניית תבנית colloidal גביש, גידול סרט אלקטרוכימי דק וכימיית סול-ג'ל רך. לחומרי 3DOM מבנה ייחודי של קירות בעלי עובי ננומטרי המקיפים חללים תת-מיקרומטרים. 3DOM מצופה בשכבת פולימר דקה ולאחר מכן מצופה במצב הולכה. שיטה זו מקצרת את אורך חיי הסוללה, מוליכות יונים גבוהה ומוליכות חשמלית סבירה. אין צורך בתוספים שאינם תורמים לביצועים אלקטרוכימיים של התא. שיפור בביצועים ניתן לקבל על ידי ציפוי בחלקיקים של תחמוצת בדיל, בכך הקיבול ההתחלתי של התא משתפר גם. ציפוי זה מפעפע לתוך מבנה 3DOM ובכך נוצר עובי קירות אחיד. [8]
ננו-חוטים וננו-צינוריות
ננו-חוטים וננו-צינורות שכיחים ברכיבי סוללות שונים מסיבת הדרישה למזעור. ליתיום-יון ניתן להשמה בננו-צינוריות הפחמן במספר שיטות: על המישור החיצוני, בין הצינוריות ועל פני הצינוריות. [9]
ננו-חוטים הושמו במטריצת האנודה והקתודה כדי לספק מוליכות מובנית וגם לצורך שיפור קיבול התא. שיטה זו יושמה על ידי הדפסת החומר הפעיל על המצע. [10]
גישה נוספת משתמשת בננו-צינוריות הפחמן שגודלו על מצע סיליקון ולאחר מכן שובצו בתאית. בסיום התהליך אלקטרודת הליתיום מתווספת על גבי התאית מול ננו-צינוריות הפחמן. [11]
בשנת 2007 ננו-חוטי סיליקון היו מפוברקים על מצע פלדה בשיטת גידול מוצק אדים-נוזליים. סיליקון הוא חומר אטרקטיבי לייצור אנודה בסוללות ליתיום, כי יש לו את קיבולת הטעינה התיאורטית הגבוה ביותר (4,200 mAh). ננו-חוטים אלו קרובים מספיק לערכו התיאורטי של הסיליקון והראו דעיכה מינימאלית בפריקה, כ- 20% ירידה בין המחזור הראשון למחזור השני. [12]
אלקטרודות בעלות מבנה שאינו מחזורי
מבנים מחזוריים גורמים לצפיפות זרם שאינן אחידה ובכך פוגעים ביעילות ויציבות הסוללה.
- ^ 1 2 Jeffrey W. Long, Bruce Dunn, Debra R. Rolison, and Henry S. White. "Architectures, Three-Dimensional Battery." Chem. Rev., 2004: 4463-4492.
- ^ Bruce Dunn, Jeffrey W. Long, and Debra R. Rolison. "Rethinking Multifunction in Three Dimensions for Miniaturizing Electrical Energy Storage." Electrochemical Society Interface, 2008: 49-53.
- ^ Nathan, M.; Golodnitsky, D.; Yufit, V.; Strauss, E.; Ripenbein, T.; Shechtman, I.; Menkin, S.; Peled, E. (2005). "Three-dimensional thin-film Li-ion microbatteries for autonomous MEMS". Journal of Microelectromechanical Systems. 14 (5): 879. doi:10.1109/JMEMS.2005.851860.
- ^ Pikul, J. H.; Gang Zhang, H.; Cho, J.; Braun, P. V.; King, W. P. (2013). "High-power lithium ion microbatteries from interdigitated three-dimensional bicontinuous nanoporous electrodes". Nature Communications. 4: 1732. doi:10.1038/ncomms2747. PMID 23591899.
- ^ Long, J. W.; Dunn, B.; Rolison, D. R.; White, H. S. (2004). "Three-Dimensional Battery Architectures". Chemical Reviews. 104 (10): 4463–4492. doi:10.1021/cr020740l. PMID 15669159.
- ^ Sun, K.; Wei, T. S.; Ahn, B. Y.; Seo, J. Y.; Dillon, S. J.; Lewis, J. A. (2013). "3D Printing of Interdigitated Li-Ion Microbattery Architectures". Advanced Materials: n/a. doi:10.1002/adma.201301036.
- ^ "3-D printing could lead to tiny medical implants, electronics, robots, more | Engineering at Illinois". Engineering.illinois.edu. 2013-06-19. נבדק ב-2013-06-23.
- ^ Ergang, N. S.; Lytle, J. C.; Lee, K. T.; Oh, S. M.; Smyrl, W. H.; Stein, A. (2006). "Photonic Crystal Structures as a Basis for a Three-Dimensionally Interpenetrating Electrochemical-Cell System". Advanced Materials. 18 (13): 1750. doi:10.1002/adma.200600295.
- ^ Landi, B. J.; Ganter, M. J.; Schauerman, C. M.; Cress, C. D.; Raffaelle, R. P. (2008). "Lithium Ion Capacity of Single Wall Carbon Nanotube Paper Electrodes". Journal of Physical Chemistry C. 112 (19): 7509. doi:10.1021/jp710921k.
- ^ Kiebele, A.; Gruner, G. (2007). "Carbon nanotube based battery architecture". Applied Physics Letters. 91 (14): 144104. Bibcode:2007ApPhL..91n4104K. doi:10.1063/1.2795328.
- ^ Victor L. Pushparaj, Manikoth M. Shaijumon, Ashavani Kumar, Saravanababu Murugesan, Lijie Ci, Robert Vajtai,Robert J. Linhardt, Omkaram Nalamasu, and Pulickel M. Ajayan. "Flexible energy storage devices based on vnanocomposite paper." PNAS, 2007: 13574–13577.
- ^ Chan, C. K.; Peng, H.; Liu, G.; McIlwrath, K.; Zhang, X. F.; Huggins, R. A.; Cui, Y. (2007). "High-performance lithium battery anodes using silicon nanowires". Nature Nanotechnology. 3 (1): 31–35. doi:10.1038/nnano.2007.411. PMID 18654447.