◆Ebintu bya anode eby’ekika kya Alloy-
◆Okukyusa-ebintu eby'ekika kya anode
◆Ebintu ebikozesebwa mu anode y’ekyuma kya lithium
Mu nkola y’okusasula ssente za...bbaatule za lithium-ion, ekintu kya negativu electrode kikola kinene nnyo mu kutambuza lithium ions ne electrons, era kyetaagisa nnyo mu kutereka amasoboza n’okufulumya. Okusinziira ku ndaba y’omuwendo, ebintu bino bikola ebitundu 5% ku 15% ku nsimbi zonna ezisaasaanyizibwa mu kukola bbaatule era bitwalibwa ng’ekimu ku bikozesebwa ebikulu ebiteetaagisa okukola bbaatule ya lithium-ion. Okufaananako n’ekintu eky’obusannyalazo obulungi, ekintu eky’obusannyalazo obubi (negative electrode material) kikola kinene nnyo mu kutumbula enkulaakulana ya tekinologiya wa bbaatule ya lithium-ion. Mu myaka egiyise, olw’obwetaavu obweyongera obw’okulongoosa mu nkola ya bbaatule-okusingira ddala, okugoberera amaanyi agasingako, density y’amaanyi, n’okutebenkera kw’enzirukanya ennungi n’obukuumi-abanoonyereza bafuddeyo nnyo ku kintu eky’obusannyalazo obubi, ekimu ku bitundu ebikulu ebya lithium-ion
bbaatule za bbaatule. Ekintu ekituufu ekiyitibwa negative electrode material kirina okuba n’engeri zino wammanga:
(1) Lightweight, accommodating as much Li nga bwe kisoboka okulongoosa obusobozi obw’enjawulo.
(2) Obusobozi bwa redox obutono obw’okuyingiza n’okuggyamu lithium ion, ekiyamba okutuuka ku vvulovumenti y’okufulumya bbaatule esingako.
(3) Obutambuzi obulungi obw’obusannyalazo ne ayoni.
(4) Tesaanuuka mu biwunyiriza bya masanyalaze era tekwatagana na minnyo gya lithium. (5) Okunyweza eddagala okulungi ennyo oluvannyuma lw’okucaajinga n’okufulumya, omulimu gw’obukuumi ogw’amaanyi n’obulamu bw’enzirukanya, n’omuwendo omutono ogw’okwefulumya-.
(6) Eby’obugagga ebitali bya bbeeyi, bingi, era tebikosa butonde.
Ebintu bya anode bisobola okwawulwamu ebika bibiri ebikulu okusinziira ku kemiko yaabwe: ebintu ebisinziira ku kaboni-n’ebintu ebitali -kaboni-. Ebintu ebisinziira ku kaboni-bisobola okwongera okugabanyizibwamu ebintu bya kaboni ebiyitibwa graphitic carbon materials ne amorphous carbon materials. Ebintu ebitali-kaboni-ebisinziira ku silikoni-ebisinziira ku silikoni-ebisinziira ku titaniyamu-, ne okisayidi z’ebyuma ez’enjawulo. Mu kiseera kino, ebintu bya anode ebikozesebwa ennyo ku katale okusinga birimu ebika bisatu: ebintu ebisinziira ku kaboni-, lithium titanate (LiTisOi2), n’ebintu ebikoleddwa mu kaboni nga birimu silikoni. Ebintu ebisinziira ku kaboni-bisobola okwongera okugabanyizibwamu grafayiti (grafayiti ey’obutonde n’ey’obutonde), kaboni omugonvu, ne kaboni omukalu. Mu biti bino, artificial graphite y’esinga okukwata akatale.
Ebintu bya anode ebiyingiziddwamu
ebintu ebikozesebwa mu kaboni
Mu kukola bbaatule za lithium-ion, obuyiiya bw’okukozesa ebintu ebisinziira ku kaboni- okudda mu kifo kya lithium ow’ekyuma nga anode kiraga okumenyawo okunene mu tekinologiya ono. N’okutuusa kati, tewali kika kirala kya kintu kya anode kiyinza kukwatagana n’omuwendo gwakyo-obulungi n’omulimu gwakyo; n’olwekyo, kisuubirwa nti ebintu ebisinziira ku kaboni-bijja kusigala nga bye bisinga okulondebwa okukozesebwa mu by’obusuubuzi ebinene- okumala ekiseera ekinene. Okusinziira ku ddaala ly’okufuuka grafiti, ebintu ebisinziira ku kaboni-ebikozesebwa nga anode bisobola okugabanyizibwa mu biti bisatu: grafayiti, kaboni omugonvu, ne kaboni omukalu. Ebintu bya kaboni ebitali-graphite byonna biraga omuze gw’okukyuka ne bifuuka graphite mu kiseera ky’okulongoosa mu bbugumu erya waggulu-; wabula ebintu ebimu bitera okukyuka kuno era bitegeezebwa nga kaboni omugonvu; ate ezo ezizibu okumaliriza enkola eno ziyitibwa kaboni omukalu. Mu budde obutuufu, kaboni omugonvu asobola okufunibwa okuva mu bikozesebwa ebisookerwako nga ttaala y’amanda oba ekifo ky’amafuta; okwawukana ku ekyo, kaboni omugumu asinga kukolebwa okuva mu bitundu nga phenolic resin oba sucrose. Mu kiseera kino, ekimu ku bintu ebisinga okusomesebwa mu kisaawe kya kaboni omugonvu ye mesophase carbon microspheres. Ebintu byombi ebya kaboni ebiyitibwa graphitic n’ebitali-graphitic birina ebirungi n’ebibi byabyo nga bikozesebwa nga negative electrodes mu bbaatule za lithium-ion. Okusinziira ku kino, abanoonyereza batera okukozesa ebitundu ebitonotono eby’enjawulo okukyusa n’okukyusa kungulu kw’ebintu bino ebya kaboni okusobola okulongoosa omulimu gwabyo.
Graphite, nga ekintu ekirimu layeri (Figure 5-8), erina ensengekera ey’omunda erimu ensengekera ya atomu ez’enjuyi omukaaga ezisengekeddwa mu mbeera ya sp2 hybrid, nga zigaziwa mu bipimo bibiri. Munda mu buli layeri, atomu za kaboni zikola ensengekera ya giridi ey’enjuyi omukaaga ennywevu nga erina ebanga lya atomu ya kaboni ne kaboni lya 0.142 nm n’amasoboza g’okukwatagana ga 345 kJ/mol, nga ziraga obutebenkevu obw’amaanyi ennyo. Okwawukana ku ekyo, atomu za kaboni wakati wa layeri ez’enjawulo ziyungibwa empalirizo za van der Waals enafu, nga zirina amasoboza ag’enkolagana aga 16.7 kJ/mol zokka, agakwatagana n’ebanga eripimiddwa wakati w’enjuba erya 0.3354 nm. Ayoni za litiyamu zisobola okuyita mu kuyingizibwa n’okuggyibwamu okukyusibwa wakati wa layeri za kaboni omukaaga eza grafayiti, ne zikola ebirungo bya LiC6 okutereka litiyamu. Mu nkola eno, ebanga wakati w’emitendera gikyuka nnyo; ku LiC6, omuwendo guno gufuuka 0.37 nm, bwe kityo ne kituuka ku busobozi obusinga obunene obw’enjawulo obw’enzikiriziganya obwa 372 mA·h/g. Ekirala, obutambuzi obulungi bwa graphite bwanguyiza okutambula kw’obusannyalazo okw’amangu munda mu kintu. Naye bwe kikozesebwa ng’ekintu kya negativu electrode, graphite era eraga ebizibu ebimu: ekifo kyayo ekitono ennyo eky’okuyingiza/okuggyamu lithium voltage plateau kiyinza okuvaako okukula kwa lithium dendrites mu kiseera ky’okucaajinga oba okufuluma. Dendrites zino bwe zimala okuyingira mu kyawula bbaatule, zisobola okuleeta short circuits munda, ekiyinza okuvaako omuliro oba n’okubwatuka, ne ziteeka obukuumi bwa bbaatule mu matigga.
Ekifaananyi 5-8 Ekifaananyi ekiraga ensengekera ya graphite layered
Graphite okusinga egabanyizibwamu ebika bibiri: graphite ow’obutonde ne graphite ow’ekikugu. Grafayiti ow’obutonde, efunzibwa nga NG (grafayiti ey’obutonde), kitegeeza ekintu kya kaboni ekingi-ekiggyibwa mu butonde ne kifunibwa okuyita mu kulongoosa okwangu. Kirina enkula bbiri ez’enjawulo ez’ensengekera ya kirisitaalo eya layeri: hexagonal ne rhombic. Ekintu kino tekikoma ku kuba bingi mu tterekero, naye era kya ssente ntono ate nga tekikosa butonde. Naye mu kukozesa bbaatule ya lithium-ion, olw’okusaasaana okutali kwa bwenkanya okw’emirimu egy’okungulu n’obunene bw’empeke ez’obutundutundu bwa butto wa graphite ow’obutonde, ensengekera yaayo eya kirisitaalo ey’okungulu eyonoonebwa mangu mu kiseera ky’enzirukanya y’okufulumya okucaajinga-, ekivaako okubikka firimu ya SEI obutali bwenkanya era ne kikosa obulungi bwa bbaatule obwa coulombic obusooka n’omutindo gw’omutindo. Okusobola okuvvuunuka okusoomoozebwa kuno, abanoonyereza bakoze obukodyo obw’enjawulo okulongoosa eby’obugagga bya graphite ow’obutonde, gamba nga spheroidization, oxidation surface treatment, fluorination, ne surface carbon coating, nga baluubirira okulongoosa engeri zaayo ez’okungulu n’ensengekera yaayo entonotono.
Grafiti ey’obutonde esobola okukolebwa nga tuyita mu kukola grafiti mu bbugumu erya waggulu-ebintu bya kaboni ebyangu okufuuka grafiti. Ekika ky’ekintu kino kikozesebwa nnyo ng’ekintu kya anode mu bbaatule za lithium-ion. Bw’ogeraageranya ne graphite ey’obutonde, graphite ey’obutonde eraga enkizo ennene mu bulamu obuwanvu obw’enzirukanya, obusobozi bw’okutereka ebbugumu erya waggulu-, n’omutindo gwa waggulu-, ekigifuula ekimu ku bintu ebya anode ebisinga okwettanirwa mu bbaatule za lithium-ion ezikozesebwa mu mmotoka ez’amaanyi amapya mu China. Olw’obusobozi bwayo obunene obw’enjawulo n’omuwendo omutono, graphite ey’obutonde nayo ekozesebwa nnyo mu bbaatule z’amaanyi n’ebintu eby’ebyuma ebikozesebwa mu makkati-to{9}}ebya waggulu-eby’enkomerero. Ebibalo biraga nti mu mwaka gwa 2021, artificial graphite yakola ebitundu 84% ku bintu byonna ebya anode ebyasindikibwa.
Ebintu ebitali-graphite kaboni bisinga kwawulwamu ebika bibiri: kaboni omukalu ne kaboni omugonvu. Kaboni omukalu kitegeeza ekika ky’ekintu kya kaboni ekizibu okukyusa okufuuka ensengekera ya grafayiti ne ku bbugumu erya waggulu ennyo (eri waggulu wa diguli 2800 ). Ebintu bino bitera okufunibwa nga tuyita mu kuzimba ebiwujjo ebimu (pyrolyzing) ebiwujjo ebiyitibwa polymers. Okusingira ddala, ensibuko eza bulijjo eza kaboni omukalu mulimu kaboni za resini ez’enjawulo (nga phenolic resins, polyfurfuryl alcohol resin PFA-C, ne epoxy resins), kaboni ekolebwa okusaanuusa kwa polimeeri ezenjawulo (nga polyvinyl alcohol (PVA), polyvinylidene fluoride (PVDF), ne polyacrylonitrile (PAN), n’ebintu ebikolebwa mu carbon black nga acetylene black). Mu nkola y’okuteekateeka, omuwendo omunene ogw’obulema bwa lattice gukolebwa munda mu kaboni omukalu, ekisobozesa ion za lithium obutakoma ku kuyingira wakati wa layers za kaboni wabula n’okujjuza ebitundu bino ebikyamu, bwe kityo ne kiwa anodes ezikoleddwa okuva mu kintu kino obusobozi obw’enjawulo obw’amaanyi (wakati wa 350 ne 500 mA·b/g), eky’omugaso ennyo mu kulongoosa obusobozi okutwalira awamu obwa bbaatule za lithium-ion. Naye, obulema bwa lattice obwogeddwako waggulu era buvaako obulungi bwa coulombic obusookerwako obutono n’obutebenkevu bwa cycle obubi nga kaboni omukalu akozesebwa nga ekintu kya anode. N’okutuusa kati, olw’ebizibu bino, kaboni omukalu takozesebwa nnyo mu bbaatule za lithium-ion ezikolebwa mu by’obusuubuzi, era wakyaliwo ebizibu ebimu nga tannakozesebwa ku mutendera munene.
Kaboni omugonvu kitegeeza ebintu bya kaboni ebitali bya kifaananyi ebikola mangu graphitize wansi w’embeera z’ebbugumu eringi- (waggulu wa diguli 2800 ). Ebintu bino mulimu pitch, needle coke, petroleum coke, ne carbon fibers. Olw’omutindo omutono ogwa graphitization mu kaboni omugonvu, ensengekera yaayo erimu obulema bungi, ekigisobozesa okusuza mu ngeri ekyusibwamu ion za lithium eziwera; mu kiseera kye kimu, ebanga eddene wakati wa layeri litumbula okuyingira kw’obusannyalazo. N’olwekyo, okusinziira ku mpisa zino, ebintu bya kaboni omugonvu biraga obusobozi obw’amaanyi mu kiseera ky’okufuluma okusooka. Naye, ddala olw’obutabeera mu ntebenkevu bwayo mu nsengeka, obusobozi bwayo obutakyuka nabwo buli waggulu nnyo. Ekirala.
Titanium dayokisayidi
Titanium dioxide (TiO2) eraga obusobozi bungi nga ekintu eky’obusannyalazo obubi (negative electrode material) ku bbaatule za lithium-ion, si lwa busobozi bwayo okukola ku mutendera omunene-n’omuwendo omutono, naye era kubanga eraga obukuumi obulungi ennyo n’obutebenkevu ku vvulovumenti ekola eya 1.5V (okugeraageranya ne Li/Li). Okugatta ku ekyo, TiO2 erina omuddirirwa gw’ebintu ebyewuunyisa: emirimu gy’amasannyalaze egy’amaanyi, amaanyi ag’amaanyi ag’okuwunyiriza, okutebenkera obulungi mu kemiko, eby’obugagga eby’omu ttaka ebingi, n’ensengekera za kirisitaalo ez’enjawulo.
Ebirungi bino byonna awamu bifuula TiO2 ekimu ku bikozesebwa ebirungi eby’obusannyalazo obubi (negative electrode material choices) ku bbaatule za lithium-ion (naddala mu kisaawe ky’emmotoka ez’amasannyalaze aga hybrid).
Mu ndowooza, buli yuniti y’obuzito bwa TiO2 esobola okutereka ion emu eya lithium, ekwatagana n’obusobozi bwa 330 mA·h/g, kumpi emirundi ebiri obusobozi bwa LiTiO2 obw’enzikiriziganya. Naye mu nkola, kizuuliddwa nti okutuuka ku busobozi buno obw’okutereka lithium obusinga obunene mu ndowooza kizibu nnyo. Ensonga nnyingi zikwata ku bulungibwansi bw’okuyingiza n’okuggya lithium ion mu titanium dioxide, omuli naye nga tekikoma ku buziba bw’ekintu, obunene bw’obutundutundu, engeri z’enzimba ey’omunda, n’obuwanvu obw’enjawulo obw’okungulu. Kinajjukirwa nti TiO2 ebeerawo mu mitendera gya kirisitaalo egy’enjawulo, egisinga okumanyibwa obulungi-be bika bya rutile ne anatase mu nsengekera ya kirisitaalo eya tetragonal, n’ekika kya brookite mu nsengekera ya kirisitaalo eya orthorhombic.