Desain masa depanbaterai litium-ionharus mampu memenuhi permintaan perangkat-yang mengonsumsi energi-tinggi, seperti kendaraan listrik murni, kendaraan listrik-hibrida plug-in, dan sistem penyimpanan energi stasioner. Untuk material anoda baru yang sedang dikembangkan, kapasitas merupakan salah satu indikator kinerja utama. Berdasarkan mekanisme reaksi yang berbeda, beberapa kandidat material dengan kapasitas teoritis tinggi meliputi silikon (Si), germanium (Ge), silikon monoksida (SiO), timah (Sn), dan oksidanya (SnOz), dengan kapasitas tipikal berkisar antara 783 mA·g (untuk SnOz) hingga 4211 mA·h/g (untuk Si). Meskipun material paduan ini menunjukkan keunggulan kapasitas spesifik yang lebih tinggi dibandingkan dengan grafit tradisional (372 mA·bg) dan litium titanat (LTO, 175 mA·Ng), perubahan volume dan kehilangan kapasitas awal yang tidak dapat diubah yang dialami selama pengisian dan pengosongan membatasi masa pakainya. Untuk mengatasi masalah ini, para peneliti telah mengeksplorasi berbagai strategi, seperti mengurangi ukuran partikel ke skala nano dan mencoba membangun sistem material komposit yang mengandung komponen litium logam aktif atau tidak aktif. Di antara metode-metode ini, menggabungkan emas litium aktif dengan bahan paduan untuk membentuk substrat penyangga konduktif telah menunjukkan potensi dalam meningkatkan kinerja siklus. Selain itu, penggunaan morfologi struktur nano yang berbeda, seperti kawat nano atau tabung nano, juga telah terbukti menjadi pendekatan yang efektif untuk mencapai bahan anoda ideal yang menggabungkan kapasitas tinggi, kinerja laju yang baik, dan umur siklus yang panjang.
Si--Bahan anoda berbasis silikon
Bahan anoda-berbasis silikon sebagian besar terdiri dari silikon murni, silikon oksida, dan komposit silikon/karbon. Karena kapasitas teoretisnya yang tinggi, ramah lingkungan, dan cadangan alam yang melimpah, baterai ini secara luas dianggap sebagai pilihan ideal untuk anoda baterai ion-generasi-kepadatan-energi litium-yang tinggi. Ilmuwan Tiongkok adalah orang pertama di dunia yang mengusulkan konsep penerapan silikon berskala nano pada baterai litium-ion. Mengingat sumber daya silikon yang melimpah di Tiongkok dan kapasitas produksi unsur silikon yang terdepan di dunia, meningkatkan upaya penelitian dan pengembangan bahan anoda berbasis silikon dan penerapannya pada baterai litium ion sangat penting untuk menguasai teknologi utama baterai litium berperforma tinggi di masa depan.
Dibandingkan dengan bahan anoda grafit tradisional, silikon menunjukkan kapasitas spesifik teoritis yang lebih tinggi (4211 mA·h/g) dan potensi delithiation yang relatif lebih rendah (0,5V). Khususnya, tegangan operasi silikon sedikit lebih tinggi dibandingkan dengan grafit. Gambar 5-9 mengilustrasikan susunan atom spesifik dalam kristal silikon. Selama pengisian daya, penggunaan silikon sebagai anoda dapat mengurangi pelapisan litium pada permukaan, sehingga meningkatkan keamanan baterai. Selain itu, silikon berlimpah dan murah. Namun, penerapan silikon pada anoda baterai litium{11}}ion juga menghadirkan beberapa tantangan. Sebagai bahan semikonduktor, silikon memiliki konduktivitas yang buruk. Setelah beberapa siklus pengisian daya-pengosongan, perubahan volume signifikan yang disebabkan oleh penyisipan dan pelepasan ion litium-dapat menyebabkan kerusakan material, memengaruhi stabilitas struktur, dan berpotensi menyebabkan pemisahan material aktif dari pengumpul arus, sehingga sangat berdampak pada masa pakai baterai. Selain itu, perluasan volume ini juga menghambat pembentukan film antarmuka elektrolit keadaan padat (SED) yang stabil dan efektif pada permukaan silikon. Mendispersikan silikon murni atau senyawanya secara seragam dalam matriks karbon dapat mengatasi masalah ini sampai batas tertentu: di satu sisi, hal ini meningkatkan konduktivitas elektronik keseluruhan material komposit; di sisi lain, keberadaan karbon membantu mengurangi tekanan yang disebabkan oleh perubahan volume silikon, sehingga mengurangi kerusakan pada struktur elektroda; secara bersamaan, karbon dapat mendorong pembentukan film SEI yang stabil. Oleh karena itu, material komposit yang menggabungkan keunggulan silikon dan karbon dianggap sebagai salah satu kandidat anoda yang ideal untuk baterai lithium-ion-generasi-energi-densitas tinggi{20}}generasi berikutnya.
SiO
Selain silikon, silikon monoksida (SiO) juga dianggap sebagai kandidat bahan anoda untuk baterai litium-ion karena kapasitas teoritisnya melebihi 1600 mA·h/g. Selain itu, koordinasi litium-oksigen menyiratkan perubahan volume yang lebih kecil dan energi aktivasi yang lebih rendah selama pengisian dan pengosongan. Potensi reaksi elektrokimia selama proses ini mencakup konversi SiO menjadi Si dan LiO, diikuti dengan pembentukan paduan silikon-litium dengan Li; atau pembentukan langsung paduan silikon-litium dan LixSiO2. Patut dicatat bahwa SiO padat murni secara termodinamika tidak stabil pada suhu berapa pun dan oleh karena itu dapat terurai menjadi Si dan SiO2 dalam kondisi tertentu melalui reaksi disproporsionasi. Mirip dengan silikon, SiO mengalami ekspansi atau kontraksi volume yang signifikan selama penyisipan dan ekstraksi litium. Selain itu, SiO memiliki konduktivitas yang buruk, sehingga memperlambat laju masuk dan keluarnya ion litium. Untuk mengatasi masalah ini, meningkatkan kapasitas reversibel, dan meningkatkan stabilitas siklus, para peneliti telah mengeksplorasi berbagai strategi. Di antaranya, teknologi pelapisan karbon, reduksi elektrokimia litium dalam SiO, dan pengurangan ukuran partikel SiO dianggap sebagai pendekatan yang sangat efektif. Secara khusus, bila dikombinasikan dengan partikel yang lebih kecil dan lapisan karbon, jalur difusi ion litium dapat diperpendek secara efektif, sekaligus meningkatkan efisiensi konduksi elektron dan ion, sehingga mengatasi tantangan yang disebutkan di atas.
GE
Germanium telah menarik perhatian besar dalam penelitian material anoda baterai litium-ion karena kapasitas penyimpanan litiumnya yang tinggi (1623 mA·h/g) pada rasio stoikiometri Liz2Ge5 serta proses penyisipan dan ekstraksi litium yang dapat dibalik. Meskipun germanium lebih mahal daripada silikon dan memiliki kapasitas yang sedikit lebih rendah, germanium memiliki keunggulan yang signifikan, seperti konduktivitas 10.000 kali lipat silikon dan celah pita hanya 0,67 eV. Penelitian telah menunjukkan bahwa laju difusi ion litium dalam germanium 15 kali lebih cepat dibandingkan silikon pada suhu 360 derajat dan 400 kali lebih cepat pada suhu kamar. Properti ini memberi germanium performa pelepasan arus tinggi yang sangat baik dan efisiensi pengangkutan muatan yang lebih tinggi. Performa daya{15}}tinggi ini sangat penting untuk aplikasi yang memerlukan output daya{16}}performa tinggi, seperti kendaraan listrik. Namun, mirip dengan silikon, germanium juga menghadapi masalah perluasan volume hingga 300%, yang menjadi hambatan dalam penerapan praktisnya pada baterai litium{19}}ion. Dengan menggunakan desain struktur nano seperti nanopartikel, kawat nano, atau tabung nano, dampak negatif perubahan volume dapat dikurangi secara efektif, sehingga meningkatkan efisiensi coulomb. Perlu diperhatikan bahwa pembuatan komposit substrat konduktif partikel nano germanium menggunakan metode sederhana seperti pirolisis keadaan padat dapat lebih mengoptimalkan kinerja elektrokimia elektroda.
SnO2
Timah dioksida (SnO2), yang awalnya dikembangkan oleh Fujifilm, telah menarik perhatian luas sebagai bahan elektroda negatif untuk baterai litium-ion karena kapasitas teoritisnya yang tinggi dan tegangan pengoperasian yang rendah (sekitar 0,6 eV, relatif terhadap LiLi). Dalam proses reaksi elektrokimia, pertama-tama ia mengalami tahap ireversibel sebagian, di mana SnO2 direduksi menjadi logam timah (Sn) dan litium oksida (LiO); selanjutnya, terjadi fase reversibel, yang melibatkan pembentukan dan dekomposisi paduan timah-litium. Secara teoritis, setiap mol SnO2 dapat bereaksi dengan 8,4 mol litium, sesuai dengan kapasitas teoritis sebesar 1491 mA·h/g. Namun, mengingat rendahnya reversibilitas reaksi reduksi awal, dalam penerapan praktis, hanya kapasitas efektif yang disumbangkan oleh proses paduan/penggabungan berikutnya-kira-kira 783 mA·h/g-yang biasanya dipertimbangkan, dan nilai ini digunakan sebagai kapasitas teoritis praktis bahan SnO2. Selain itu, selama siklus pengisian{16}}pengosongan, material ini mengalami perluasan volume yang signifikan (lebih dari 200%), yang menyebabkan hilangnya kapasitas yang parah. Untuk mencapai tujuan ini, para peneliti berdedikasi untuk meningkatkan stabilitas siklus SnO2 dan mengurangi kehilangan kapasitas yang tidak dapat diubah akibat perubahan volume melalui berbagai metode.