변환{0}}형 음극재에는 주로 금속산화물, 인화물, 황화물, 질화물이 포함됩니다. 전기화학 공정에서 이러한 물질은 다음과 같은 물질의 형성 또는 분해를 촉진합니다.리튬 화합물금속의 환원 또는 산화 반응을 통해. 다중-전자 산화환원 공정에 참여할 수 있기 때문에 이러한 재료를 기반으로 한 양극은 1000mA·bg만큼 높은 가역 용량을 나타냅니다.
FeOₓ
저렴한 비용, 상대적으로 낮은 독성, 풍부한 천연 매장량, 특히 높은 이론적 비용량으로 인해 산화철 재료는 리튬-이온 배터리용 양극 재료로 광범위하게 연구되어 왔습니다. 일반적인 산화철 화합물로는 -Fe2O₃, -Fe2O₃ 및 Fe₃O₄가 있습니다. 이들 화합물은 각각 약 1007mA·h/g 및 926mA·h/g의 이론적 비용량을 나타냅니다. 그러나 산화철은 실제 적용 과정에서 많은 문제에 직면합니다. 전자/이온 수송의 느린 동역학과 반복적인 충전-방전 과정 동안 심각한 부피 팽창/수축은 빠른 용량 감소와 산화철 전극의 낮은 속도 성능을 초래합니다. 또한, 벌크 산화철 재료는 본질적으로 전기 전도성이 낮습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연구자들은 주로 형태 및 구조 제어, 탄소 코팅, 전도성이 높은 기판을 사용한 복합 재료 구성과 같은 전략을 채택했습니다. 이러한 접근 방식은 여러 전략의 조합을 통해 시너지 효과를 달성하는 경우가 많으며 어느 정도 진전이 있었습니다.
CoOₓ
Co₃O₄ 및 CoO와 같은 산화코발트(CoOₓ)도 높은 이론적 비용량으로 인해 리튬{0}}이온 배터리의 양극 재료로 널리 연구되어 왔습니다. 산화철과 마찬가지로 CoOₓ도 충방전 과정에서 큰 부피 변화, 낮은 고유 전기 전도도, 느린 반응 동역학으로 인해 급격한 용량 감소와 열악한 순환 안정성 등 동일한 문제를 안고 있습니다. Guan et al. 산소를 반응 전구체로 사용하여 단일{4}}8상-면 Co₃O₄ 나노디스크를 합성했습니다. 이 나노디스크는 100~200 nm의 입자 크기를 가지며 높은 전류 밀도에서 순환할 때 약 474 mA·h/g의 가역 비용량을 제공했습니다. 이 결과는 형태와 입자 크기가 CoOₓ의 전기화학적 성능에 중요한 영향을 미친다는 것을 나타냅니다. 왕 외. 열수법을 이용하여 티타늄 기판 위에 직접 성장한 Co₃O₄ 나노바늘을 제조했습니다. 이러한 나노바늘은 집전체와의 탁월한 전기적 접촉을 나타냈을 뿐만 아니라 부피 팽창을 효과적으로 완충했습니다. 0.2C에서 30사이클 후에도 여전히 1015mA·h/g의 높은 가역 용량을 유지했습니다.
두 개 이상의 구성요소로 구성된 CoOₓ 복합 시스템의 경우 구성요소 간의 시너지 효과로 전반적인 전기화학적 성능이 더욱 향상될 수 있습니다. 예를 들어 산화코발트를 전도성이 높은 탄소- 기반 재료 또는 기타 금속 산화물과 결합하면 속도 성능과 사이클링 안정성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 이로 인해 이 분야에서 복합 시스템의 설계 및 개발에 대한 관심이 높아졌습니다.
ZnO
산화아연은 상대적으로 높은 이론 비용량, 저렴한 가격, 제조 용이성 및 다양한 형태로 인해 리튬{0}}이온 배터리의 음극 소재로도 많은 주목을 받고 있습니다. ZnO는 합금화(Li-Zn 합금 형성)와 전환(Li2O 형성)의 결합 메커니즘을 통해 리튬과 반응합니다. 이론적 비용량은 978mA·h/g에 도달할 수 있으며 이는 흑연 양극보다 훨씬 높습니다. 그러나 산화아연은 전기전도도가 낮고 충방전을 반복할 때 부피 팽창/수축이 심하며, 사이클링 시 불활성 Li2O가 다량 생성되는 문제가 있다. 이러한 요인으로 인해 ZnO 전극의 급속한 용량 감소, 낮은 속도 성능 및 짧은 주기 수명이 발생합니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연구자들은 주로 형태 및 구조 제어, 탄소 코팅, 헤테로원자 도핑, 전도성이 높은 기판을 사용하여 ZnO{7}} 기반 복합재 구성과 같은 전략을 채택했습니다. 이러한 방법은 여러 변형 전략을 결합하여 더 나은 리튬 저장 성능을 달성하는 경우가 많으며 일부 금속 아연산염 화합물도 우수한 전기화학적 성능을 나타냅니다.
4. MPₓ
금속 인화물은 또한 최근 몇 년 동안 리튬{0}}이온 배터리용 양극 재료의 응용 분야에서 광범위한 주목을 받아 왔습니다. 이들 화합물은 일반적으로 전환 메커니즘을 통해 리튬과 반응하며, 화학식 단위당 다중-전자 전달 반응으로 인해 이론적 비용량이 매우 높은 경우가 많습니다. 그러나 일반적으로 리튬화/탈리튬화 과정에서 큰 부피 팽창으로 인해 분쇄가 발생하고 활성 입자와 집전체 사이의 전기적 접촉이 손실되어 실제 적용이 심각하게 제한됩니다.
그 중 철, 코발트, 니켈, 구리{0}}계 인화물이 최근 집중적으로 연구되고 있습니다. 인화철을 예로 들면, 이론적 비용량은 500~1800mA·h/g에 도달할 수 있습니다. 또한, 금속 인화물은 일반적으로 금속 산화물 및 금속 황화물보다 더 높은 리튬 저장 전압(보통 0.5~1V vs. Li⁺/Li)을 나타내므로 고속 충전 중 리튬 수지상 형성 위험을 줄이는 데 도움이 됩니다. 또한, 금속 인화물은 일반적으로 해당 금속 산화물보다 더 높은 전기 전도도를 나타내며, 이는 속도 성능을 향상시키는 데 유리합니다. 따라서, 금속 인화물 나노구조 및 탄소{10}기반 재료와의 복합재의 합리적인 설계가 이 분야의 중요한 연구 방향이 되었습니다. 예로는 Ni2P, NiP2, NiP₃, Ni₅P₄, CoP, Co2P, CoP₃, FeP, FeP2, Cu₃P 등이 있습니다. 이들 화합물은 모두 연구에서 우수한 리튬 저장 성능을 보여 실용화에 큰 잠재력을 보여줍니다. Ni2P 및 Li-Ni-P 3원 화합물은 독특한 구조와 높은 전기 전도성으로 인해 초고속 리튬{14}}이온 삽입/탈리 반응을 달성할 수도 있습니다.