Konverteringsanodematerialer af -type omfatter hovedsageligt metaloxider, phosphider, sulfider og nitrider. I elektrokemiske processer fremmer disse materialer dannelsen eller nedbrydningen aflithiumforbindelsergennem metallernes reduktions- eller oxidationsreaktioner. Fordi de kan deltage i multi-elektron redoxprocesser, udviser anoder baseret på disse materialer reversible kapaciteter helt op til 1000 mA·bg.
FeO1
På grund af deres lave omkostninger, relativt lave toksicitet, rigelige naturreserver og især høje teoretiske specifikke kapacitet, er jernoxidmaterialer blevet grundigt undersøgt som anodematerialer til lithium-ion-batterier. Almindelige jernoxidforbindelser omfatter -Fe₂O₃, -Fe₂O3 og Fe₃O4. Disse forbindelser udviser teoretiske specifikke kapaciteter på henholdsvis ca. 1007 mA·h/g og 926 mA·h/g. Imidlertid står jernoxid over for mange problemer under praktisk anvendelse. Den langsomme kinetik af elektron/ion-transport og alvorlig volumenudvidelse/sammentrækning under gentagne ladnings-afladningsprocesser fører til hurtigt kapacitetsforfald og dårlig hastighedsydelse af jernoxidelektroder. Derudover har bulkjernoxidmaterialer i sagens natur lav elektrisk ledningsevne. For at løse disse problemer har forskere hovedsageligt vedtaget strategier som morfologi og strukturkontrol, kulstofbelægning og konstruktion af kompositmaterialer med stærkt ledende substrater. Disse tilgange opnår ofte synergistiske effekter gennem en kombination af flere strategier, og der er gjort nogle fremskridt.
CoOₓ
Cobaltoxider (CoOₓ), såsom Co₃O₄ og CoO, er også blevet undersøgt bredt som anodematerialer til lithium-ionbatterier på grund af deres høje teoretiske specifikke kapacitet. Ligesom jernoxider lider CoOₓ af de samme udfordringer: store volumenændringer under ladning-afladningsprocessen, dårlig iboende elektrisk ledningsevne og langsom reaktionskinetik, hvilket resulterer i hurtigt kapacitetsforfald og dårlig cyklusstabilitet. Guan et al. syntetiserede enkelt-fase otte-sidede Co₃O₄ nanoskiver ved hjælp af oxygen som reaktionsforstadium. Disse nanodiske havde en partikelstørrelse på 100-200 nm og leverede en reversibel specifik kapacitet på cirka 474 mA·h/g, når de blev cyklet ved høj strømtæthed. Dette resultat indikerer, at morfologi og partikelstørrelse har en betydelig indvirkning på den elektrokemiske ydeevne af CoOₓ. Wang et al. fremstillede Co₃O4 nanonåle dyrket direkte på et titaniumsubstrat ved hjælp af en hydrotermisk metode. Disse nanonåle udviste ikke kun fremragende elektrisk kontakt med strømaftageren, men bufrede også effektivt volumenudvidelse. Efter 30 cyklusser ved 0,2C opretholdt de stadig en høj reversibel kapacitet på 1015 mA·h/g.
For CoOₓ-kompositsystemer sammensat af to eller flere komponenter kan den synergistiske effekt mellem komponenterne yderligere forbedre den samlede elektrokemiske ydeevne. For eksempel kan en kombination af koboltoxid med stærkt ledende kulstof-baserede materialer eller andre metaloxider forbedre hastighedsydelsen og cyklusstabiliteten markant. Dette har ført til øget opmærksomhed mod design og udvikling af sammensatte systemer på dette område.
ZnO
Zinkoxid har også tiltrukket sig stor opmærksomhed som et anodemateriale til lithium-ion-batterier på grund af dets relativt høje teoretiske specifikke kapacitet, lave omkostninger, lette forberedelse og forskellige morfologier. ZnO reagerer med lithium gennem en kombineret mekanisme af legering (danner Li-Zn-legeringen) og omdannelse (danner Li₂O). Dens teoretiske specifikke kapacitet kan nå 978 mA·h/g, hvilket er væsentligt højere end grafitanoder. Zinkoxid lider imidlertid af dårlig elektrisk ledningsevne, alvorlig volumenudvidelse/sammentrækning under gentagne opladnings-afladningscyklusser og dannelsen af store mængder inaktiv Li₂O under cykling. Disse faktorer fører til hurtigt kapacitetsfald, dårlig hastighedsydelse og kort cykluslevetid for ZnO-elektroder. For at løse disse problemer har forskere hovedsageligt vedtaget strategier såsom morfologi og strukturkontrol, kulstofbelægning, doping med heteroatomer og konstruktion af ZnO--baserede kompositter med stærkt ledende substrater. Disse metoder opnår ofte bedre lithiumlagringsydelse ved at kombinere flere modifikationsstrategier, og nogle metalzinkatforbindelser udviser også fremragende elektrokemisk ydeevne.
4. MP1
Metalphosphider har også tiltrukket sig bred opmærksomhed i anvendelsen af anodematerialer til lithium-ion-batterier i de seneste år. Disse forbindelser reagerer generelt med lithium gennem en omdannelsesmekanisme og har ofte meget høj teoretisk specifik kapacitet på grund af multi-elektronoverførselsreaktionerne pr. formelenhed. Imidlertid lider de generelt af stor volumenudvidelse under lithiation/delithiation, hvilket fører til pulverisering og tab af elektrisk kontakt mellem aktive partikler og strømkollektoren, hvilket i høj grad begrænser deres praktiske anvendelse.
Blandt dem er jern-, kobolt-, nikkel- og kobber-baserede phosphider blevet undersøgt intensivt i de seneste år. Tager man jernphosphider som et eksempel, kan deres teoretiske specifikke kapaciteter nå 500-1800 mA·h/g. Derudover udviser metalphosphider generelt højere lithiumlagringsspændinger (normalt 0,5-1 V vs. Li⁺/Li) end metaloxider og metalsulfider, hvilket hjælper med at reducere risikoen for dannelse af lithiumdendrit under hurtig opladning. Desuden udviser metalphosphider generelt højere elektrisk ledningsevne end de tilsvarende metaloxider, hvilket er fordelagtigt til at forbedre hastighedsydelsen. Derfor er det rationelle design af metalphosphid-nanostrukturer og deres kompositter med kulstofbaserede-materialer blevet en vigtig forskningsretning på dette område. Eksempler omfatter Ni₂P, NiP₂, NiP₃, Ni₅P4, CoP, Co₂P, CoP₃, FeP, FeP₂, Cu₃P osv. Disse forbindelser har alle vist fremragende lithiumlagringsevne i forskning, hvilket viser et stort potentiale for praktisk anvendelse. Ni₂P og Li–Ni–P ternære forbindelser kan endda opnå ultrahurtige lithium-ioninterkalations-/deinterkalationsreaktioner på grund af deres unikke strukturer og høje elektriske ledningsevne.