Hönnun framtíðarinnarlitíum-jónarafhlöðurverða að geta uppfyllt kröfur-orkunotkunar-mikillar tækja, eins og hrein rafknúin farartæki, tengi-í tvinn rafbíla og kyrrstæð orkugeymslukerfi. Fyrir ný rafskautsefni í þróun er afkastageta einn af lykilframmistöðuvísunum. Byggt á mismunandi efnahvarfsaðferðum eru sum umsækjendaefni með mikla fræðilega getu kísill (Si), germaníum (Ge), kísilmónoxíð (SiO), tin (Sn) og oxíð þess (SnOz), með dæmigerða getu á bilinu 783 mA·g (fyrir SnOz) til 4211 mA·h/h. Þrátt fyrir að þessi málmblöndur hafi meiri sérstaka afkastagetukosti samanborið við hefðbundið grafít (372 mA·bg) og litíumtítanat (LTO, 175 mA·Ng), takmarkar rúmmálsbreytingar og óafturkræf getustap sem þau verða fyrir við hleðslu og losun líftíma þeirra. Til að sigrast á þessum vandamálum hafa vísindamenn kannað ýmsar aðferðir, svo sem að minnka kornastærð í nanóskala og reyna að smíða samsett efniskerfi sem innihalda virka eða óvirka litíumhluti úr málmi. Meðal þessara aðferða, að sameina virkt litíumgull með álefnum til að mynda leiðandi biðminni hvarfefni hefur sýnt möguleika á að bæta hringrásarafköst. Ennfremur, að nota mismunandi formgerð nanóbygginga, eins og nanóvíra eða nanóröra, hefur einnig reynst árangursrík nálgun til að ná fram fullkomnu rafskautsefni sem sameina mikla afkastagetu, góða frammistöðu og langan líftíma.
Si--Kísil-undirstaða rafskautaefni
Kísil-undirstaða rafskautaefni eru aðallega samsett úr hreinu sílikoni, kísiloxíði og kísil/kolefnissamsetningum. Vegna mikillar fræðilegrar getu, umhverfisvænni og mikils náttúruforða eru þau almennt talin kjörinn kostur fyrir næstu-kynslóð há-orku-þéttleika litíum-rafhlöðuskauta. Kínverskir vísindamenn voru fyrstir í heiminum til að setja fram hugmyndina um að nota nanóskala sílikon á litíum-jónarafhlöður. Miðað við miklar kísilauðlindir Kína og-leiðandi framleiðslugetu frumefniskísils í heiminum, er aukið rannsóknar- og þróunarstarf á kísil-undirstaða rafskautaefni og notkun þeirra í litíum-jónarafhlöðum afar mikilvæg til að ná tökum á lykiltækni framtíðar -afkastamikilla litíumrafhlöðu{13}}.
Í samanburði við hefðbundin grafítskautaefni, sýnir kísill meiri fræðilega sértæka getu (4211 mA·h/g) og tiltölulega lægri delithiation möguleika (0,5V). Athyglisvert er að rekstrarspenna sílikons er aðeins hærri en grafíts. Mynd 5-9 sýnir sérstaka atómaskipan innan kísilkristalls. Meðan á hleðslu stendur getur notkun kísils sem rafskaut dregið úr litíumhúðun yfirborðs og þar með bætt öryggi rafhlöðunnar. Ennfremur er kísill nóg og ódýrt. Hins vegar felur það einnig í sér nokkrar áskoranir að nota sílikon á litíum-rafhlöðuskaut. Sem hálfleiðara efni hefur sílikon lélega leiðni. Eftir margar hleðslu-hleðslulotur geta verulegar rúmmálsbreytingar sem orsakast af innsetningu og losun litíumjóna- leitt til þess að efni brotni, haft áhrif á burðarstöðugleika og hugsanlega valdið aðskilnaði virka efnisins frá núverandi safnara, sem hefur alvarleg áhrif á endingu rafhlöðunnar. Ennfremur hindrar þessi rúmmálsþensla einnig myndun stöðugrar og áhrifaríkrar -efri{17}} raflausnarviðmótsfilmu (SED) á kísilyfirborðinu. Samræmd dreifing á hreinu kísil eða efnasamböndum þess innan kolefnisfylkis getur að einhverju leyti dregið úr þessum vandamálum: annars vegar bætir það rafræna leiðni samsetta efnisins í heild; á hinn bóginn hjálpar tilvist kolefnis að draga úr streitu af völdum kísilrúmmálsbreytinga, sem dregur úr skemmdum á rafskautsbyggingunni; samtímis getur kolefni stuðlað að stöðugri myndun SEI kvikmyndarinnar. Þess vegna eru samsett efni, sem sameina kosti kísils og kolefnis, talin ein af tilvalnu rafskautaframbjóðendum fyrir næstu-kynslóð af-orku-þéttleika litíumjónarafhlöðum.
SiO
Fyrir utan sílikon er kísilmónoxíð (SiO) einnig talið vara rafskautsefni fyrir litíum-jónarafhlöður vegna fræðilegrar getu þess sem er yfir 1600 mA·h/g. Ennfremur felur litíum-súrefnissamhæfing í sér minni rúmmálsbreytingar og minni virkjunarorku við hleðslu og losun. Hugsanleg rafefnahvörf meðan á þessu ferli stendur eru meðal annars umbreyting SiO í Si og LiO, fylgt eftir með myndun kísil-litíumblendi með Li; eða bein myndun kísil-litíumblendi og LixSiO2. Það er athyglisvert að hreint fast SiO2 er varmafræðilega óstöðugt við hvaða hitastig sem er og getur því brotnað niður í Si og SiO2 við sérstakar aðstæður með mishófshvarfi. Líkt og sílikon, gengur SiO undir verulega rúmmálsstækkun eða samdrátt við innsetningu og útdrátt litíums. Að auki hefur SiO lélega leiðni, sem veldur hægum inn- og útgönguhraða litíum-jóna. Til að takast á við þessi mál, auka afturkræf getu og bæta stöðugleika hringrásarinnar hafa vísindamenn kannað ýmsar aðferðir. Meðal þeirra eru kolefnishúðunartækni, rafefnafræðileg minnkun litíums í SiO og minnkandi SiO kornastærð talin sérstaklega árangursríkar aðferðir. Sérstaklega, þegar það er blandað saman við smærri agnir og kolefnishúð, er hægt að stytta dreifingarleið litíumjóna á áhrifaríkan hátt, á sama tíma og rafeinda- og jónaleiðni skilvirkni er bætt og þannig sigrast á áðurnefndum áskorunum.
GE
Germaníum hefur vakið mikla athygli í rannsóknum á litíum-rafhlöðuskautefni vegna mikillar litíumgeymslugetu (1623 mA·h/g) við Liz2Ge5 stoichiometric hlutfallið og afturkræfs litíuminnsetningar- og útdráttarferlis. Þó að germaníum sé dýrara en kísill og hefur aðeins minni afkastagetu, hefur það verulega kosti, eins og leiðni sem er 10.000 sinnum hærri en kísil og bandbil sem er aðeins 0,67 eV. Rannsóknir hafa sýnt að dreifingarhraði litíumjóna í germaníum er 15 sinnum hraðari en í kísil við 360 gráður og 400 sinnum hraðari við stofuhita. Þessir eiginleikar gefa germaníum framúrskarandi-straumlosunarafköst og meiri skilvirkni hleðsluflutnings. Þessi mikli-aflafköst eru sérstaklega mikilvæg fyrir forrit sem krefjast mikils-afkastaflæðis, eins og rafknúin farartæki. Hins vegar, svipað og sílikon, stendur germaníum einnig frammi fyrir því vandamáli að rúmmálsstækkun upp á 300%, sem hefur orðið hindrun fyrir hagnýtingu þess í litíum-jónarafhlöðum. Með því að nota nanóbyggingarhönnun eins og nanóagnir, nanóvíra eða nanórör, er hægt að draga úr neikvæðum áhrifum rúmmálsbreytinga á áhrifaríkan hátt og bæta þannig skilvirkni coulombic. Það er athyglisvert að undirbúningur germaníum nanóagna-leiðandi hvarfefnasamsetninga með því að nota einfaldar aðferðir eins og hitagreiningu í föstu formi getur hámarkað rafefnafræðilega frammistöðu rafskautanna enn frekar.
SnO2
Tinndíoxíð (SnO2), sem var fyrst þróað af Fujifilm, hefur vakið mikla athygli sem neikvætt rafskautsefni fyrir litíum-jónarafhlöður vegna mikillar fræðilegrar getu og lágrar rekstrarspennu (u.þ.b. 0,6 eV, miðað við LiLi). Í rafefnafræðilegu hvarfferlinu fer það fyrst í gang að hluta til óafturkræft skref, þar sem SnO2 er minnkað í málmtini (Sn) og litíumoxíð (LiO); í kjölfarið á sér stað afturkræfur fasi sem felur í sér myndun og niðurbrot tin-litíumblendisins. Fræðilega séð getur hvert mól af SnO2 hvarfast við 8,4 mól af litíum, sem samsvarar fræðilegri afkastagetu upp á 1491 mA·h/g. Hins vegar, í ljósi þess hve upphaflega minnkunarhvarfið er lítið til baka, í hagnýtri notkun, er venjulega aðeins litið til skilvirkrar afkastagetu sem síðari málmblöndur/afblandunarferli -um það bil 783 mA·h/g- stuðlar að, og þetta gildi er notað sem hagnýt fræðileg getu SnO2 efnis. Ennfremur, meðan á hleðslu-afhleðsluferli stendur, fer þetta efni í gegnum verulega rúmmálsstækkun (yfir 200%), sem leiðir til alvarlegs afkastagetu taps. Í þessu skyni eru vísindamenn hollir til að bæta stöðugleika SnO2 í hjólreiðum og draga úr óafturkræfu afkastagetu tapi vegna rúmmálsbreytinga með ýmsum aðferðum.