Í løðingartilgongdini hjálitium-ion battarí, hevur negativa elektrodutilfarið ein avgerandi leiklut í at bera litiumjonir og elektronir, og er neyðugt fyri orkugoymslu og útloysing. Frá einum kostnaðarsjónarhorni standa hesi tilfar 5% til 15% av samlaða battaríframleiðslukostnaðinum og verða mett sum ein av ómissandi lyklarávørunum til litium-ion battaríframleiðslu. Eins og positiva elektrodutilfarið hevur negativa elektrodutilfarið ein ógvuliga týðandi leiklut í at stuðla framburðinum í litium-ion battarítøkni. Seinastu árini, við vaksandi eftirspurninginum eftir betri battarí avriki-serliga, hava strembanin eftir størri orkutættleika, effekttættleika, og betri ringrásarstabiliteti og trygd-granskarar givið stóran ans til negativa elektrodutilfarið, ein av kjarnupartunum í litium{{9}
battarí. Eitt hugsjónarligt negativt elektrodutilfar skal hava hesar eginleikar:
(1) Lætt, sum rúmar so nógvum Li sum gjørligt fyri at optimera ávísan kapasitet.
(2) Lágur redox-potentiali til litium-ion inn- og útdráttarreaktiónir, sum hjálpir til at fáa størri battaríútgangsspenning.
3) Góð elektronisk og ionleiðsla.
4) Óupploysandi í elektrolyttloysandi evnum og reagerar ikki við litiumsaltum. (5) Framúrskarandi kemiskur stabilitetur eftir løðing og útløðing, høg trygdarvirkni og ringrásarlívstíð, og lág sjálv-útløðingartíð.
(6) Bíligt, nógv tilfeingi og umhvørvisvinarligt.
Anodutilfar kann býtast í tveir høvuðsbólkar út frá evnafrøðiligu samansetingini: kol-baserað tilfar og ikki-kol-baserað tilfar. Kol-baserað tilfar kann víðari undirbýtast í grafit koltilfar og amorf koltilfar. Tilfar, sum ikki er -kol-baserað, fevnir um silikon-baserað, titan-baserað og ymisk metaloxid. Í løtuni fevna tey nógv brúktu anodutilfarini á marknaðinum í høvuðsheitum um trý sløg: kol-baserað tilfar, litiumtitanat (LiTisOi2), og kolsamsett tilfar, sum inniheldur silikon. Kol-baserað tilfar kann býtast víðari sundur í grafitt (natúrligt og kunstigt grafitt), mjúkt kol og hart kol. Millum hesar flokkar hevur kunstig grafit størsta marknaðarpartin.
Innspælt anodutilfar
koltilfar
Í menningini av litium-ion battaríum merkir nýskapanin við at nýta kol-baserað tilfar til at avloysa metalliskt litium sum anodu eitt stórt gjøgnumbrot í hesi tøkni. Higartil kann einki annað slag av anodutilfari svara til kostnaðar-virkni og avrikið; tí verður væntað, at kol-baserað tilfar framvegis verður fremsta valið til stórar-handilsligar nýtslur í eitt munandi tíðarskeið. Við støði í støddini á grafitiseringini kunnu kol-baserað tilfar, sum verður nýtt sum anodur, flokkast í tríggjar flokkar: grafit, mjúkt kol og hart kol. Ikki--grafitt koltilfar vísa øll lyndi til at umskapast til grafit undir høgum-hitaviðgerð; men nøkur evni eru meira tilbøgilig fyri hesi umskapan og eru definerað sum mjúkt kol; meðan tey, sum eru trupul at klára tilgongdina, verða nevnd hart kol. Vanliga kann mjúkt kol fáast úr rávørum sum koltjøru ella oljutjøru; harímóti verður hart kol mest syntetiserað úr komponentum sum fenolharpiksi ella sukrose. Í løtuni er eitt av mest kannaðu evnunum á økinum mjúkt kolvetni mesofasa kolmikrosfærur. Bæði grafit og ikki-grafit koltilfar hava sínar fyrimunir og vansar, tá tey verða nýtt sum negativar elektrodur í litium-ion battaríum. Við støði í hesum brúka granskarar ofta ymisk undir-segment til at broyta og broyta yvirflatuna á hesum koltilfari fyri at betra um avrikið.
Grafit, sum lagt tilfar (Mynd 5-8), hevur ein innanhýsis bygnað, sum er samansettur av einum sekskantaðum karmi av atomum, sum eru skipað í einum sp2 hybridtilstandi, sum strekkir seg í tvær dimensiónir. Innan hvørt lag mynda kolatomir ein sterkan sekskantaðan netbygnað við eini kol-kolatomfjarstøðu uppá 0,142 nm og eini bindiorku uppá 345 kJ/mol, sum vísir ógvuliga sterkan stabilitet. Harímóti eru kolatom millum ymisk løg knýtt saman av veikari van der Waals kreftum, við eini samvirkisorku uppá einans 16,7 kJ/mol, svarandi til eitt mátað interplanar avstand uppá 0,3354 nm. Litiumjonir kunnu fara undir afturvendandi innseting og útdrátt millum tey seks kolløgini av grafiti, og mynda LiC6-sambond til at goyma litium. Undir hesi tilgongdini broytist millumlagsfrástøðan munandi; fyri LiC6 gerst hetta virðið 0,37 nm, og fæst sostatt ein teoretiskan hámarksspesifikkan kapasitet uppá 372 mA·h/g. Harumframt ger framúr góða leiðslan hjá grafiti tað lættari at flyta elektronir skjótt innan í tilfarinum. Men tá ið grafitt verður nýtt sum negativt elektrodutilfar, hevur tað eisini nakrar vansar: Lutfalsliga lága litium-innsetingar-/úttøkuspenningsháslættan kann føra til vøkstur av litiumdendritum undir løðing ella útløðing. Tá hesir dendritir hava gjøgnumgingið battarískiljaran, kunnu teir elva til innanhýsis stuttstreym, sum møguliga føra til eld ella enntá spreingingar, sum hótta battarítrygdina.
Mynd 5-8 Skimatisk mynd av grafitt-lagsbygnaði
Grafitt er í høvuðsheitum býtt upp í tveir flokkar: natúrligt grafitt og kunstigt grafitt. Natúrlig grafit, stytt sum NG (natúrlig grafit), vísir til eitt høgt-kolvetnistilfar, sum er útvunnið úr náttúruni og fæst við einføldum virkingum. Hon eigur tvær ymiskar morfologiir av lagkrystallbygnaði: sekskantað og rombiskt. Hetta tilfarið er ikki bert nógv í goymslum, men eisini lágt í kostnaði og umhvørvisvinarligt. Men í litium-ion battaríumsóknum, orsakað av ójavna býtinum av yvirflatuvirksemi og stórari kornstødd av natúrligum grafittpulvurpartiklum, er yvirflatukrystallbygnaðurin lættliga skaddur undir løðing-útløðingarringrásum, sum førir til ójavna SEI filmsbattarídekning og ávirkar cofficiuloc's avrikið. Fyri at vinna á hesum avbjóðingum hava granskarar ment ymiskar teknikkir til at betra um eginleikarnar hjá natúrligum grafiti, so sum sfæroidisering, oxiderings yvirflatuviðgerð, fluorering og yvirflatukolhúðing, við tí endamáli at optimera yvirflatueginleikarnar og mikrostrukturin.
Kunstigt grafitt kann framleiðast við høgum-hitagrafitisering av lætt grafitiseraðum koltilfari. Hetta slagið av tilfari verður nógv brúkt sum anodutilfar í litium-ion battaríum. Samanborið við natúrligt grafitt, vísir kunstigt grafitt týðandi fyrimunir viðvíkjandi langari ringrásarlívstíð, høgum -hitagoymslukapasiteti, og høgum-rate avriki, og ger tað til eitt av fyrikomandi anodutilfarinum til litium-ion battarí, sum verða nýtt í nýggjum orkuakførum í Kina. Vegna sín stóra serliga kapasitet og lutfalsliga lága kostnað verður kunstigt grafitt eisini nógv brúkt í kraftbattaríum og miðal-til-høgum-enda brúkaraelektronikkvørum. Hagtøl vísa, at í 2021 var kunstig grafit 84% av øllum anodutilfarssendingum.
Ikki--grafitkoltilfar er í høvuðsheitum býtt upp í tveir flokkar: hart kol og mjúkt kol. Hart kol vísir til eitt slag av koltilfari, sum er trupult at umskapa til ein grafittbygnað sjálvt við ógvuliga høgum hita (yvir 2800 stig ). Hesi tilfar fáast vanliga við at pyrolysera ávísar polymerir. Serliga eru vanligar keldur til hart kol ymisk harpikskol (so sum fenolharpiks, polyfurfurylalkoholharpiks PFA-C, og epoxyharpiks), kol, sum er myndað við pyrolysu av ávísum polymerum (so sum polyvinylalkohol (PVA), polyvinyliden- og black-fluorid (PVNPADF), acetylen svart). Undir tilgerðargongdini verða eitt stórt tal av gitterbrekum myndað inni í harða kolvetninum, sum ger, at litiumjonir ikki bert kunnu interkalera seg millum kolløg, men eisini at fylla hesi brekøkini, og geva sostatt anodum, sum eru gjørdar úr hesum tilfari, ein høgan serligan kapasitet (millum 350 og 500 mA er sera gagnligur yvir kapasitetin av litium-ion battarí. Men áðurnevndu gitterbrek føra eisini til lágan byrjanareffektivitet og vánaligan cyklusstabilitet, tá hart kol verður nýtt sum anodutilfar. Higartil hevur hart kol orsakað av hesum trupulleikum ikki verið nógv brúkt í vinnuliga framleiddum litium-ion battaríum, og enn eru nakrar forðingar, áðrenn tað kann brúkast í stórum máttum.
Mjúkt kol vísir til amorf koltilfar, sum lættliga grafitiserar undir høgum-hitaviðurskiftum (yvir 2800 stig ). Hesi tilfar fevna um sjógv, nálakoks, oljukoks og kolfibrar. Vegna lága grafitiseringsstøðið í mjúkum kolvetni inniheldur bygnaðurin nógv brek, sum gera, at hann kann rúma fleiri litiumjonum afturvendandi; samstundis stuðlar størri millumlagsfrástøðan elektrolyttgjøgnumgongd. Tí vísa mjúk koltilfar, grundað á hesar eginleikar, høgan kapasitet undir byrjanarútlátinum. Men júst orsakað av strukturella óstabilitetinum er óafturvendandi kapasiteturin eisini lutfalsliga stórur. Harumframt førir óreglusemi í innanhýsis bygnaðinum av mjúkum kolvetni til ymisk orkubýti av litium-ion virknum støðum, sum førir til, at ein avmarkað spenningsháslætta manglar undir løðing og útløðing, sum avmarkar ítøkiligu nýtslurnar.
Titandioxid
Titandioxid (TiO2) vísir stórar møguleikar sum negativt elektrodutilfar til litium-ion battarí, ikki bert orsakað av, at tað er gjørligt til stóra framleiðslu og lágan kostnað, men eisini tí, at tað vísir framúr góða trygd og stabilitet við eini rakstrarspenning á 1,5V/rela). Harumframt eigur TiO2 eina røð av merkisverdum eginleikum: høgt elektrokemiskt virksemi, sterka oxiderandi kraft, góðan kemiskan stabilitet, nógv náttúrutilfeingi og fjølbroyttar kristallstrukturar.
Hesir fyrimunir gera tilsamans TiO2 til eitt av teimum ideellu negativu elektrodutilfarsvalunum til litium-ion battarí (serliga á økinum við hybrid el-akførum).
Teoretiskt kann hvør eindarmassa av TiO2 goyma eina litiumjon, svarandi til eina kapasitet uppá 330 mA·h/g, sum er næstan tvær ferðir tann teoretiska kapasiteturin hjá LiTiO2. Men í roynd og veru hevur tað víst seg, at tað er rættiliga trupult at náa hesum teoretiska hámarkslitiumgoymslukapasitetinum. Nógv viðurskifti ávirka litiumjon innsetingar- og útvinningarvirknið í titandioxidi, eitt nú men ikki avmarkað til krystallinitetin í tilfarinum, partiklustøddina, innanhýsis struktureginleikar og serligt yvirflatuøki. Vert er at leggja til merkis, at TiO2 er til í ymiskum kristallfasum, tær mest-kendu eru rutil- og anatasusløgini í tetragonalu krystallskipanini, og brookit-slagið í ortorombisku krystallskipanini.