Nanomateriały do magazynowania energii w akumulatorach litowo-jonowych

Ganesh Venugopal¹, Andrew Hunt¹, Faisal Alamgir²

¹ nGimat Co., 5315 Peachtree Blvd., Atlanta, GA, USA , ²Georgia Institute of Technology, Department of Materials Science and Engineering 771 Ferst Drive, N.W., Atlanta, GA 30332

Material Matters 2010, 5.2, 42.

gvenugopal@ngimat.com; ahunt@ngimat.com; faisal@mse.gatech.edu

Wprowadzenie

Technologia akumulatorów litowo-jonowych (Li-Ion) przeszła długą drogę od czasu ich wprowadzenia na początku lat 90-tych. W ciągu ostatnich dwóch dekad stały się one preferowaną technologią zasilania przenośnych urządzeń elektronicznych, takich jak telefony komórkowe i laptopy. Obecnie akumulatory litowo-jonowe stale zastępują technologie akumulatorów niklowo-kadmowych (NiCd) i niklowo-wodorkowych (NiMH) w przenośnych elektronarzędziach. W przyszłości akumulatory litowo-jonowe mają zasilać nową generację hybrydowych pojazdów elektrycznych (HEV), hybryd plug-in (PHEV) i pojazdów elektrycznych (EV). Innym pojawiającym się zastosowaniem technologii litowo-jonowej są systemy magazynowania energii elektrycznej w inteligentnych sieciach, które są zasilane tradycyjnymi źródłami energii, takimi jak węgiel, a także nieciągłymi odnawialnymi źródłami energii, takimi jak energia słoneczna i wiatrowa.¹

Optymalne połączenie długiego czasu pracy (wysoka gęstość energii przy pożądanej mocy) i długiej żywotności (charakterystyka ładowania) wyróżnia technologię akumulatorów litowo-jonowych na tle konkurencji. Nie trzeba dodawać, że muszą być również spełnione oczekiwania dotyczące bezpieczeństwa i kosztów aplikacji. Podczas gdy wszystkie te wymagania są spełniane w przypadku przenośnej elektroniki, technologia ta dopiero zaczyna przesuwać się w górę krzywej optymalizacji dla nowych zastosowań, takich jak samochody elektryczne, elektronarzędzia i systemy magazynowania. Przykładowo, jednym z czynników odróżniających elektronikę przenośną od zastosowań w pojazdach elektrycznych jest gęstość mocy. Te drugie wymagają znacznie wyższych szybkości ładowania i rozładowywania w porównaniu do tych pierwszych. Podczas gdy wyższą moc można osiągnąć do pewnego stopnia poprzez przeprojektowanie sposobu budowy ogniwa akumulatora, oczekuje się, że nanomateriały również odegrają kluczową rolę w osiągnięciu wysokiej mocy. Strategie nanomateriałowe są również stosowane w celu zapewnienia lepszej akomodacji naprężeń w elektrodach o dużej pojemności, dzięki czemu pojemność ta może być wydobywana odwracalnie przy minimalnym kompromisie w zakresie żywotności cyklu. Alternatywnie, stabilna żywotność cyklu i charakterystyka przechowywania materiałów elektrodowych "bez naprężeń" może być jeszcze bardziej ulepszona poprzez wykorzystanie nanosized wersji tych elektrod, zapewniając w ten sposób nową generację opcji magazynowania energii elektrycznej dla inteligentnych sieci i systemów zasilania rezerwowego.

Overview of Lithium-ion Electrode Materials Chemistries

Konwencjonalne materiały do akumulatorów litowo-jonowych zwykle zaczynają się jako cząstki o wielkości 10-50 mikronów, które są następnie powlekane na aluminiowe lub miedziane kolektory prądu wraz ze środkami zwiększającymi przewodność i spoiwami. W ciągu ostatnich kilku dziesięcioleci chemią katodową był tlenek litowo-kobaltowy, LiCoO₂, (Nr prod., 442704) związek warstwowy o zniekształconej strukturze soli kamiennej (α-NaFeO₂).² Niektóre alternatywne katody, takie jak trójwymiarowy spinelowy tlenek litowo-manganowy,² LiMn₂O₄, (Prod. 725129) zostały skomercjalizowane tylko w niszowych zastosowaniach ze względu na ograniczenia wydajności.² Materiały na bazie węgla były preferowanym wyborem dla anod, z pewną wersją grafitu wykorzystywaną w większości dostępnych na rynku akumulatorów.³ Twórcy akumulatorów wybierają materiały elektrodowe z zamiarem optymalizacji wydajności z punktu widzenia energii, mocy, żywotności cyklu, kosztów i stabilności termicznej. Do niedawna wiele z tych optymalizacji odbywało się z myślą o przenośnych aplikacjach elektronicznych. Ostatnio jednak znaczny wysiłek poświęca się również nowym i pojawiającym się zastosowaniom, takim jak elektronarzędzia, pojazdy elektryczne i systemy magazynowania energii elektrycznej w akumulatorach. Pojawiły się nowe chemikalia dla katod, w tym różne mieszane tlenki metali, takie jak LiMn_1.5Ni_0.5O₄  (spinel, Prod. No. 725110 ), LiNi_0.33Mn_0.33Co_0.34O₂  (warstwowe) i LiNiCoAlO₂ (warstwowe) i fosforany metali, takie jak LiFePO₄, LiCoPO₄  (Prod. No. 725145 ) i LiMnPO₄, (oliwin).^2,4 W przypadku anod, nowe materiały obejmują tlenki, takie jak tytaniany litu (Li₄Ti₅O₁₂) i tlenek cyny (SnO₂, Prod. No. 549657 ), krzem pierwiastkowy (Si, Prod. No. 267414) & cyna (Sn, Prod. No. 265640 ) i wiele materiałów na bazie węgla.^3,5 W wielu z tych nowych chemikaliów posiadanie materiałów w postaci nanocząstek lub nanostrukturalnych cząstek lub folii ma kluczowe znaczenie dla osiągnięcia pożądanej wydajności dyktowanej przez końcowe zastosowanie.⁶

Zalety nanomateriałów w zastosowaniach litowo-jonowych

Z punktu widzenia zastosowania baterii, zachętą do wdrożenia elektrody nanomateriałowej jako materiału do przechowywania litowo-jonowego byłoby uzyskanie znacznej poprawy energii, mocy, żywotności cyklu lub jakiejś kombinacji tych samych. Nanocząstki lub nanoproszkowe materiały elektrodowe, tj. ultradrobne wersje konwencjonalnych proszków elektrodowych o wielkości mikronów, są najwcześniejszymi wdrożeniami nanomateriałów w zastosowaniach akumulatorów litowo-jonowych. Rzeczywiście, sadza, nanomateriał, który istnieje od kilkudziesięciu lat, jest stosowany w bateriach litowo-jonowych od samego początku.⁷ Podczas gdy sadza jest stosowana w elektrodzie, nie przechowuje energii elektrycznej i działa jedynie jako "pasywny" wzmacniacz przewodności w celu poprawy zdolności zasilania. Jednakże, projektując "aktywny" składnik elektrody magazynujący energię w postaci nanocząstek, można uzyskać znaczną poprawę wydajności z dwóch powodów:

1. krótsze długości dyfuzji dla jonów litu przemieszczających się z rdzenia cząstki na powierzchnię, gdzie są przenoszone do elektrolitu oraz
2. większa powierzchnia kontaktu elektrody z elektrolitem wynikająca z nieodłącznie wysokiej powierzchni charakterystycznej dla cząstek.⁶

Zmniejszenie rozmiaru cząstek elektrody do nanoskali ma również znacznie zmniejszyć naprężenia mechaniczne spowodowane rozszerzaniem i kurczeniem się objętości podczas ładowania i rozładowywania. Niedawno opracowany model sugeruje, że cząstki muszą mieć rozmiar poniżej pewnego krytycznego promienia, aby odkształcenie powstałe w wyniku interkalacji mogło być elastycznie uwzględnione, a nie przez odkształcenie plastyczne, co pozwala na pełne odzyskanie pierwotnej, stabilnej struktury.⁸ Przykłady nanomateriałów w postaci nanoproszku lub jako nanostrukturalne folie o morfologii drutu, pręta, wąsów lub kolumn są aktywnie poszukiwane w celu maksymalizacji żywotności cyklu przy minimalnym kompromisie w zakresie gęstości energii.^5,9

Pewne zalety przetwarzania można również osiągnąć podczas pracy z nanorozmiarowymi materiałami elektrodowymi do przechowywania litowo-jonowego. Na przykład, większość materiałów katod litowo-jonowych jest wytwarzana z prekursorów zawierających lit i inne metale przejściowe, które są łączone, a następnie poddawane obróbce cieplnej w różnych warunkach w celu uzyskania pożądanego składu tlenku lub fosforanu. Procesy obróbki cieplnej mogą być żmudne i energochłonne, szczególnie w przypadku dużych agregatów cząstek, gdzie powierzchnia agregatu może mieć inny profil termiczny w porównaniu z masą. Niewłaściwa obróbka cieplna prowadzi do niejednorodnego składu materiału, a tym samym do pogorszenia jego wydajności. Podczas obróbki cieplnej nanomateriałów łatwiej jest utrzymać jednorodny profil termiczny w całym materiale, a tym samym wytwarzać jednorodne kompozycje bez konieczności uciekania się do energochłonnych metod przetwarzania.

Nanomateriały mogą również umożliwić ultracienkie i elastyczne geometrie elektrod, co może przyczynić się do powstania nowej generacji formatów baterii o wysokiej wydajności dla komponentów o niskim profilu, takich jak czujniki, RFID i elastyczne urządzenia do zastosowań konsumenckich i medycznych. Dyspersje i farby wykonane przy użyciu elektrod nanoproszkowych mogą być wykorzystywane do wytwarzania tanich drukowanych baterii za pomocą przetwarzania roll-to-roll lub do integracji baterii cienkowarstwowych z innymi urządzeniami w drukowanych zespołach elektronicznych wykonanych w procesach atramentowych.¹⁰

Klasyfikacja i produkcja nanomateriałów

Termin nanomateriał jest zwykle używany w odniesieniu do materiałów, których co najmniej jeden wymiar jest mniejszy niż 100 nm.¹¹ W użyciu tego terminu kryje się również sugestia, że materiał ma pewne ulepszone właściwości lub cechy w porównaniu z wersjami o większym rozmiarze cząstek o tym samym składzie. Nanomateriały nie są nową klasą materiałów, nawet jeśli niedawna uwaga, jaką przyciągają, może sugerować inaczej. Niektóre z tych materiałów, takie jak pył wulkaniczny, istnieją w przyrodzie od zawsze. Inne materiały wytworzone przez człowieka, takie jak sadza i dymiona titania (TiO₂), istnieją już od kilku dekad. Jednym ze sposobów klasyfikacji nanomateriałów jest podzielenie ich na kategorie według metody, za pomocą której są wytwarzane, tj. fizycznej lub chemicznej. Metoda fizyczna może być dalej podzielona na metodę mechaniczną lub metodę przemiany fazowej. W metodzie fizyczno-mechanicznej cząstki w zakresie wielkości nanometrów są wytwarzane przez mielenie lub rozdrabnianie większych cząstek docelowej kompozycji bez towarzyszących zmian chemicznych.¹² Metoda ta jest powszechnie określana jako "odgórne" podejście do wytwarzania nanomateriałów. W metodach fizycznej przemiany fazowej nanomateriał jest tworzony w procesie przemiany fazowej. Przykłady obejmują bezpośrednie wytrącanie, w którym materiał w roztworze jest wytrącany jako stały nanomateriał, oraz obróbkę termiczną, plazmową lub ablację laserową, w której odparowany materiał jest kondensowany w stałe nanocząstki. W przypadku stosowania któregokolwiek z procesów fizycznych, do uzyskania docelowego składu nanomateriału nie jest konieczna żadna zmiana chemiczna. Metody chemiczne obejmują procesy, w których nanomateriał jest syntetyzowany z materiału wyjściowego, który różni się chemicznie od składu docelowego. Docelowy skład uzyskuje się poprzez chemiczną syntezę ciała stałego, które jest formowane bezpośrednio w nanoskali. Przykłady obejmują pirolizę płomieniową, pirolizę natryskową i metody chemiczne na mokro, takie jak zol-żel i synteza zolowo-termiczna.¹² Metoda chemiczna i metoda fizycznej zmiany fazy są przykładami podejścia "oddolnego" do wytwarzania nanomateriałów.

Przykładem chemicznego procesu wytwarzania nanomateriałów jest NanoSpray Combustion, wynaleziony przez jednego z autorów, w którym nanocząstki lub nanoproszki są wytwarzane poprzez spalanie chemicznej kondensacji pary (nCCVC).¹³ W tym procesie nanocząstki są wytwarzane przez spalanie roztworu nanospray, który składa się z prekursorów zawierających elementy, które ostatecznie tworzą nanocząstkę. Schemat tego procesu pokazano na Rysunku 1. Opatentowane przez nGimat urządzenie Nanomiser^® ma kluczowe znaczenie dla generowania nanosprayu, z którego w płomieniu powstają pary. Kondensacja cząstek może zachodzić zarówno w postaci suchych nanoproszków, jak i w ciekłym medium, tworząc dyspersje. Dostosowując receptury prekursorów i parametry procesu, nCCVC można również wykorzystać do produkcji nanomateriałów z domieszkami i powierzchniowymi powłokami węglowymi w celu poprawy wydajności w końcowym zastosowaniu.

Rysunek 1. Schemat procesu chemicznej kondensacji par NanoSpray (nCCVC) do wytwarzania nanoproszków.

Podczas gdy nanocząstki lub nanoproszki mają z definicji rozmiar mniejszy niż 100 nm, inne nanomateriały mogą wykazywać cechy strukturalne o wielkości 100 nm, istniejąc jako większe agregaty, takie jak cząstki wtórne lub filmy. Na przykład, wzornictwo litograficzne, chemiczne osadzanie z fazy gazowej i fizyczne osadzanie z fazy gazowej są zdolne do wytwarzania nanostrukturalnych warstw o złożonych strukturach i są często określane jako techniki formowania w miejscu.¹² Odmianę nCCVC, zwaną chemicznym osadzaniem z fazy gazowej (nCCVD), można również zaklasyfikować do tej kategorii.¹⁴ Proces ten został wykorzystany do wytworzenia nanostrukturalnych cienkowarstwowych powłok o właściwościach superhydrofobowych, przeciwdrobnoustrojowych, barierowych dla tlenu i wilgoci. Proces nCCVD został również wykorzystany do osadzania materiałów elektrod baterii.⁵ W kolejnych sekcjach skupimy się na zastosowaniu nanocząstek lub nanoproszków w bateriach litowo-jonowych.

Zastosowanie nanoproszków wytworzonych w procesie nCCVC w bateriach litowo-jonowych

Wykorzystując opisany powyżej proces nCCVC, możliwe jest wytwarzanie różnorodnych kompozycji materiałów elektrod litowo-jonowych, które są poszukiwane przez społeczność zajmującą się bateriami. Proces nCCVC bardzo dobrze nadaje się do wytwarzania tlenków metali i materiałów fosforanowych.Rysunek 2 przedstawia transmisyjne mikrografy elektronowe (TEM) dwóch reprezentatywnych związków, LiCoPO₄ i LiMn_1.5Ni_0.5O₄. Oba materiały wykazują różne morfologie cząstek; pierwszy wykazuje cechy sferyczne, podczas gdy drugi składa się z cząstek fasetowych. W obu przypadkach średni rozmiar cząstek jest znacznie mniejszy niż 100 nm. Obraz nanocząstki LiMn_1.5Ni_0.5O₄ w większym powiększeniu ujawnia krystaliczną strukturę nanocząstki.

Rysunek 2. Transmisyjne mikrofotografie elektronowe przedstawiające nanocząstki fosforanu litowo-kobaltowego, LiCoPO4 (po lewej), tlenku litowo-manganowo-niklowego, LiMn1.5Ni0.5O4 (w środku) i tlenku litowo-manganowo-niklowego, LiMn1.5Ni0.5O4 (po prawej) w większym powiększeniu.

Zarówno LiMn_1.5Ni_0.5O₄ jak i LiCoPO₄ są kandydatami na wysokonapięciowe katody litowo-jonowe dla nowej generacji akumulatorów litowo-jonowych.² Na przykład, LiMn_1.5Ni_0.5O₄ może być ładowany do zakresu 4.8-5,0 V w porównaniu do napięcia ładowania 4,2-4,3 V dla LiCoO₂ i LiMn₂O₄.¹⁵ Wyższe napięcia, w połączeniu z wyższą teoretyczną pojemnością około 155 mAh/g dla LiMn1.5Ni0.5O4 umożliwiają 25% poprawę gęstości energii w porównaniu do konwencjonalnych katod litowo-jonowych. Inne przykłady nanomateriałów katodowych zsyntetyzowanych metodą nCCVC obejmują LiCoPO₄, spinel LiMn₂O₄ i ortorombowy LiMnO₂ (Prod. Nr 725137).

Wzory dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) wyżej wymienionego materiału katody i reprezentatywnych materiałów anodowych wykonanych przez nCCVC pokazano na Rysunku 3. Wszystkie wzory dobrze pasują do wzorów referencyjnych opublikowanych w literaturze.¹⁶ Kandydujące nanomateriały anodowe wykonane przez nCCVC obejmują SnO₂ i Li₄Ti₅O₁₂ (Prod. No. 702277). Materiały te są przeznaczone do różnych zastosowań. SnO₂ jest kandydatem na anodę o wysokiej gęstości energii z teoretyczną pojemnością sięgającą 750 mAh/g i napięciem <1V w porównaniu do litu metalicznego, w porównaniu do 370 mAh/g i <0.5V dla konwencjonalnych obecnie anod grafitowych.^5,6 Niższe napięcia są zwykle pożądane dla anod, aby zmaksymalizować napięcie i energię w połączeniu z odpowiednią katodą o wyższym napięciu. Z drugiej strony, Li₄Ti₅O₁₂ ma pojemność około 160 mAh/g przy nominalnym napięciu około 1,5 V.17 Chociaż ma niższą gęstość energii, jego struktura spinelu bez naprężeń może przyjąć wiele cykli ładowania-rozładowania przy minimalnej utracie pojemności. Co więcej, Li₄Ti₅O₁₂ stosowany w postaci nanoproszku również zapewnia wysoką szybkość ładowania i rozładowywania, jak pokazano poniżej.

Rysunek 3. Wzory dyfrakcji rentgenowskiej dla nanoproszków tlenku cyny (SnO2), tytanianu litu (Li4Ti5O12), fosforanu kobaltu litu (LiCoPO4), tlenku niklu manganu litu (LiMn1.5Ni0.5O4) i tlenku manganu litu (LiMnO2) wytworzonych w procesie nCCVC.16

Reprezentatywne profile napięcia rozładowania dla trzech elektrod nanoproszkowych zsyntetyzowanych przez nCCVC pokazano na Rysunku 4 poniżej. Dane te zostały uzyskane za pomocą małych prototypowych ogniw, które wykorzystywały metal litowy jako przeciwelektrodę. Dwie krzywe na górnym końcu wykresu przedstawiają profile szybkości 0,1 C dla materiałów katodowych LiCoPO4 i LiMn_1,5Ni_0,5O₄ i zgodnie z przewidywaniami oba materiały wykazują plateau wysokiego napięcia w zakresie 4,7-4,8 V. Dolna krzywa przedstawia profil szybkości C dla Li₄Ti₅O₁₂ i ten materiał wykazuje płaską krzywą rozładowania z plateau przy około 1,5V.

Rysunek 4. Profile napięcia rozładowania dla trzech reprezentatywnych nanoproszków litowo-jonowych wytworzonych przez nCCVC i zamontowanych w prototypowych półogniwach z anodą litowo-metalową: Tytanian litu, Li4Ti5O12 (niebieska linia, na dole) oraz fosforan kobaltu litu, LiCoPO4 i tlenek niklu manganu litu, LiMn1.5Ni0.5O4, (czerwone i zielone linie, na górze).

Zdolność nanomateriałów do rozładowywania z dużą szybkością została również zademonstrowana w prototypowych ogniwach dla materiałów Li₄Ti₅O₁₂ . Jak pokazano na Rysunku 5, Li₄Ti₅O₁₂ może być rozładowywany przy ciągłych szybkościach 5C i 10C i może zachować odpowiednio do 80% i 60% pojemności przy szybkości C. Dla porównania, konwencjonalne materiały katodowe, takie jak LiCoO₂ zazwyczaj nie są zalecane do stosowania w temperaturach powyżej 3C. Typowe pojemności rozładowania dla nanomateriałów Li₄Ti₅O₁₂ przy szybkości C wynosiły około 145 mAh/g. Nanomateriały Li₄Ti₅O₁₂ były również poddawane cyklom 200 cykli z szybkością C. Jest to bardzo zachęcający wynik dla nanomateriału, biorąc pod uwagę, że pojazd testowy to tylko zmontowany w laboratorium prototypowy format ogniwa. Można oczekiwać, że wydajność materiału znacznie się poprawi, gdy zostanie on zmontowany przy użyciu procesów bliższych komercyjnym metodom produkcji ogniw.

Rysunek 5. Porównanie względnych pojemności osiąganych przy wysokich szybkościach rozładowania (5C i 10C) z pojemnością osiąganą przy szybkości rozładowania 1C w 16 cyklach dla półogniwa litowo-metalowego Li4Ti5O12 w formacie prototypowym.

W odpowiednich warunkach proces nCCVC umożliwia tworzenie powłok powierzchniowych na cząstkach elektrod. Bezpośrednie powlekanie cząstek elektrody węglem zapewnia wyższą przewodność elektroniczną, zwiększając wydajność akumulatora. Węgiel powlekany powierzchniowo może również wyeliminować potrzebę stosowania dodatkowych wzmacniaczy przewodności, takich jak sadza w powlekanych elektrodach, zapewniając możliwość zwiększenia gęstości energii ogniwa. Poprzez dostosowanie systemu prekursorów i warunków przetwarzania nCCVC, możliwe jest wytwarzanie powlekanych węglem Li₄Ti₅O₁₂ nanoproszków w jednoetapowym procesie.¹² W konwencjonalnych metodach stosowanych do przetwarzania materiałów elektrod litowo-jonowych, do wytwarzania materiałów powlekanych węglem wymagany jest oddzielny etap przetwarzania w dół strumienia.¹⁸

Nanorurki węglowe (CNT) są również uważane za obiecujących kandydatów na wysokowydajne anody litowo-jonowe ze względu na ich dużą powierzchnię, a także wyjątkowe właściwości elektryczne i mechaniczne.¹⁹ Jednak wyniki eksperymentalne pokazują jedynie 20-25% wzrost odwracalnej pojemności w porównaniu do elektrody grafitowej z powodu słabej adsorpcji litu na CNT.²⁰ Aby poprawić adsorpcję Li, naukowcy wykorzystali albo trawienie chemiczne/plazmowe do tworzenia defektów, albo enkapsulację fulerenem (C60) jednościennych nanorurek węglowych w celu utworzenia fulerenowych "peapodów".^21,22 W niektórych przypadkach produkowane są materiały o maksymalnej pojemności ~1000 mAh/g, odpowiadające Li_2.7C₆. Metody te wymagają jednak złożonego i wysokotemperaturowego przetwarzania, co często prowadzi do pogorszenia ich wydajności.

Przyszłość litowo-jonowych materiałów do magazynowania energii

Nastające zastosowania skierowały badania i rozwój materiałów litowo-jonowych w nowym kierunku, który obejmuje rozwój elektrod nanomateriałowych. Wczesne wersje tych nanomateriałów już zaczynają pojawiać się w ograniczonych ilościach na rynku, głównie w przenośnych elektronarzędziach. W ciągu najbliższych kilku lat można oczekiwać, że nanomateriały litowo-jonowe pojawią się również w zastosowaniach motoryzacyjnych, takich jak PHEV, a także w akumulatorowych systemach magazynowania energii elektrycznej. Istniejące zastosowania, takie jak przenośna elektronika, w których technologia litowo-jonowa jest w pełni zakorzeniona, mogą również skorzystać na wdrożeniu elektrod nanomateriałowych, które zapewniają wysoką pojemność przy pożądanych poziomach mocy bez uszczerbku dla żywotności cyklu.

Dostosowując się do wymagań wydajności elektrycznej pojawiających się zastosowań, materiały i procesy stosowane do ich wytwarzania muszą być świadome wrażliwości na koszty na rynku. Redukcja kosztów surowców i konsolidacja wielu etapów procesu będą miały kluczowe znaczenie dla wszelkich działań komercjalizacyjnych. Ponieważ elektrody litowo-jonowe zawierają więcej energii i znajdują się w pobliżu niewodnych elektrolitów, będą one również ponosić wyższe koszty pakowania na poziomie ogniw i akumulatorów w porównaniu z systemami niklowo-wodorkowymi. Termiczne urządzenia odcinające w ogniwach oraz obwody bezpieczeństwa i systemy zarządzania temperaturą w pakietach zapewnią, że bateria będzie znajdować się w bezpiecznym zakresie roboczym. W dłuższej perspektywie, wyższa wydajność oferowana przez akumulatory litowo-jonowe z nawiązką zrekompensuje dodatkowe koszty, zwłaszcza przy ekonomii skali.

Podziękowania

Autorzy chcieliby podziękować innym członkom zespołu nGimat za ich wkład w pracę opisaną w tym artykule. W szczególności chcielibyśmy podziękować Michaelowi Sappowi, Ninie Vylkov, Chrisowi Rockettowi, Yongdongowi Jiangowi i Davidowi Kraussowi. Transmisyjna mikroskopia elektronowa naszych materiałów została wykonana przez dr Yong Ding w Georgia Institute of Technology. Chcielibyśmy również podziękować za wsparcie finansowe zapewnione przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych (DOE) poprzez granty badawcze na rozwój i skalowanie nanomateriałów do akumulatorów litowo-jonowych.

Referencje

1. Scrosati B, Garche J. 2010. Lithium batteries: Status, prospects and future. Journal of Power Sources. 195(9):2419-2430. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2009.11.048

2. Fergus JW. 2010. Recent developments in cathode materials for lithium ion batteries. Journal of Power Sources. 195(4):939-954. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2009.08.089

3. Shukla AK, Prem Kumar T. 2008. Materials for next-generation lithium batteries. Curr Sci. 94314.

4. Thackeray M. 2007. The Structural Design of Electrode Materials for High Energy Lithium Batteries. J. Chem. Eng. Japan / JCEJ. 40(13):1150-1158. https://doi.org/10.1252/jcej.07we180

5. Zhang Y, Liu Y, Liu M. 2006. Nanostructured Columnar Tin Oxide Thin Film Electrode for Lithium Ion Batteries. Chem. Mater.. 18(19):4643-4646. https://doi.org/10.1021/cm0519378

6. Manthiram A, Vadivel Murugan A, Sarkar A, Muraliganth T. 2008. Nanostructured electrode materials for electrochemical energy storage and conversion. Energy Environ. Sci.. 1(6):621. https://doi.org/10.1039/b811802g

7. Chen Y, Wang C, Liu G, Song X, Battaglia VS, Sastry AM. 2007. Selection of Conductive Additives in Li-Ion Battery Cathodes. J. Electrochem. Soc.. 154(10):A978. https://doi.org/10.1149/1.2767839

8. Huggins RA, Nix WD. 2000. Decrepitation model for capacity loss during cycling of alloys in rechargeable electrochemical systems. Ionics. 6(1-2):57-63. https://doi.org/10.1007/bf02375547

9. Teki R, Datta MK, Krishnan R, Parker TC, Lu T, Kumta PN, Koratkar N. 2009. Nanostructured Silicon Anodes for Lithium Ion Rechargeable Batteries. Small. 5(20):2236-2242. https://doi.org/10.1002/smll.200900382

10. Zhao Y, Liu G, Liu L, Jiang Z. 2009. High-performance thin-film Li4Ti5O12 electrodes fabricated by using ink-jet printing technique and their electrochemical properties. J Solid State Electrochem. 13(5):705-711. https://doi.org/10.1007/s10008-008-0575-6

11. Terminology Relating to Nanotechnology. https://doi.org/10.1520/e2456-06

12. Wong C, Moon K, Li Y(. 2010. Nano-Bio- Electronic, Photonic and MEMS Packaging. Boston, MA: Springer US.

13. Oljaca M, Xing Y, Lovelace C, Shanmugham S, Hunt A. 2002. 21(8):621-626. https://doi.org/10.1023/a:1015635921255

14. Hunt AT, Carter WB, Cochran JK. 1993. Combustion chemical vapor deposition: A novel thin?film deposition technique. Appl. Phys. Lett.. 63(2):266-268. https://doi.org/10.1063/1.110362

15. Li S, Liu Y, Liu Y, Chen Y. 2010. Study of CoO as an anode catalyst for a membraneless direct borohydride fuel cell. Journal of Power Sources. 195(21):7202-7206. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2010.05.016

16. ICDD JCPDS Reference numbers: Tin Oxide: 21-1250, Lithium Titanate: 26-1198, Lithium Cobalt Phosphate: 32-0552, Lithium Manganese Nickel Oxide: 32-0581 & 80-2162, Lithium Manganese Oxide: 35-0749.

17. Belharouak I, Sun Y, Lu W, Amine K. 2007. On the Safety of the Li[sub 4]Ti[sub 5]O[sub 12]?LiMn[sub 2]O[sub 4] Lithium-Ion Battery System. J. Electrochem. Soc.. 154(12):A1083. https://doi.org/10.1149/1.2783770

18. Amine K, Belharouak I, Liu J. 2007. US Patent 2007/014845A1. [dissertation]. United States Patent:

19. Hong S, Myung S. 2007. A flexible approach to mobility. Nature Nanotech. 2(4):207-208. https://doi.org/10.1038/nnano.2007.89

20. Zhou Z, Zhao J, Gao X, Chen Z, Yan J, Schleyer PR, Morinaga M. 2005. Chem. Mater.. 17992.

21. Shimoda H, Gao B, Tang XP, Kleinhammes A, Fleming L, Wu Y, Zhou O. Lithium Intercalation into Opened Single-Wall Carbon Nanotubes: Storage Capacity and Electronic Properties. Phys. Rev. Lett.. 88(1): https://doi.org/10.1103/physrevlett.88.015502

22. Kawasaki S, Iwai Y, Hirose M. 2009. Electrochemical lithium ion storage property of C60 encapsulated single-walled carbon nanotubes. Materials Research Bulletin. 44(2):415-417. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2008.05.003