Anodematerialen van het conversie-type omvatten hoofdzakelijk metaaloxiden, fosfiden, sulfiden en nitriden. Bij elektrochemische processen bevorderen deze materialen de vorming of afbraak vanlithiumverbindingendoor de reductie- of oxidatiereacties van de metalen. Omdat ze kunnen deelnemen aan multi-elektronenredoxprocessen, vertonen anodes op basis van deze materialen omkeerbare capaciteiten tot wel 1000 mA·bg.
FeOₓ
Vanwege hun lage kosten, relatief lage toxiciteit, overvloedige natuurlijke reserves en vooral hoge theoretische specifieke capaciteit zijn ijzeroxidematerialen uitgebreid bestudeerd als anodematerialen voor lithium-ionbatterijen. Veel voorkomende ijzeroxideverbindingen zijn onder meer -Fe₂O₃, -Fe₂O₃ en Fe₃O₄. Deze verbindingen vertonen theoretische specifieke capaciteiten van respectievelijk ongeveer 1007 mA·h/g en 926 mA·h/g. Bij praktische toepassing wordt ijzeroxide echter met veel problemen geconfronteerd. De langzame kinetiek van het elektronen-/ionentransport en de ernstige volume-expansie/-contractie tijdens herhaalde laad-ontlaadprocessen leiden tot snel capaciteitsverval en slechte snelheidsprestaties van ijzeroxide-elektroden. Bovendien hebben bulkmaterialen van ijzeroxide een inherent lage elektrische geleidbaarheid. Om deze problemen aan te pakken, hebben onderzoekers voornamelijk strategieën aangenomen zoals morfologie en structuurcontrole, koolstofcoating en de constructie van composietmaterialen met sterk geleidende substraten. Deze benaderingen bereiken vaak synergetische effecten door een combinatie van meerdere strategieën, en er is enige vooruitgang geboekt.
CoOₓ
Kobaltoxiden (CoOₓ), zoals Co₃O₄ en CoO, zijn ook uitgebreid bestudeerd als anodematerialen voor lithium--ionbatterijen vanwege hun hoge theoretische specifieke capaciteiten. Net als ijzeroxiden kampt CoOₓ met dezelfde uitdagingen: grote volumeveranderingen tijdens het laad-ontlaadproces, slechte intrinsieke elektrische geleidbaarheid en langzame reactiekinetiek, resulterend in snel capaciteitsverval en slechte cyclusstabiliteit. Guan et al. gesynthetiseerde enkel-fase acht-zijdige Co₃O₄ nanoschijven met zuurstof als reactievoorloper. Deze nanoschijven hadden een deeltjesgrootte van 100-200 nm en leverden een omkeerbare specifieke capaciteit van ongeveer 474 mA·h/g wanneer ze met een hoge stroomdichtheid werden gebruikt. Dit resultaat geeft aan dat de morfologie en deeltjesgrootte een aanzienlijke invloed hebben op de elektrochemische prestaties van CoOₓ. Wang et al. bereide Co₃O₄ nanonaalden die rechtstreeks op een titaniumsubstraat zijn gegroeid met behulp van een hydrothermische methode. Deze nanonaalden vertoonden niet alleen uitstekend elektrisch contact met de stroomcollector, maar bufferden ook effectief de volume-expansie. Na 30 cycli bij 0,2°C behielden ze nog steeds een hoge omkeerbare capaciteit van 1015 mAh·h/g.
Voor CoOₓ-composietsystemen die uit twee of meer componenten bestaan, kan het synergetische effect tussen de componenten de algehele elektrochemische prestaties verder verbeteren. Het combineren van kobaltoxide met sterk geleidende materialen op basis van koolstof- of andere metaaloxiden kan bijvoorbeeld de snelheidsprestaties en de cyclusstabiliteit aanzienlijk verbeteren. Dit heeft geleid tot toenemende aandacht voor het ontwerp en de ontwikkeling van composietsystemen op dit gebied.
ZnO
Zinkoxide heeft ook veel aandacht getrokken als anodemateriaal voor lithium{0}}ionbatterijen vanwege de relatief hoge theoretische specifieke capaciteit, de lage kosten, het gemak van voorbereiding en de diverse morfologieën. ZnO reageert met lithium via een gecombineerd mechanisme van legering (waarbij de Li-Zn-legering wordt gevormd) en conversie (waarbij Li₂O wordt gevormd). De theoretische specifieke capaciteit kan 978 mAh·h/g bereiken, wat aanzienlijk hoger is dan die van grafietanodes. Zinkoxide heeft echter te lijden onder een slechte elektrische geleiding, ernstige volume-expansie/-contractie tijdens herhaalde laad-ontlaadcycli en de vorming van grote hoeveelheden inactief Li₂O tijdens het fietsen. Deze factoren leiden tot snel capaciteitsverlies, slechte snelheidsprestaties en een korte levensduur van ZnO-elektroden. Om deze problemen aan te pakken, hebben onderzoekers voornamelijk strategieën aangenomen zoals morfologie en structuurcontrole, koolstofcoating, doping met heteroatomen en het construeren van op ZnO-gebaseerde composieten met sterk geleidende substraten. Deze methoden bereiken vaak betere lithiumopslagprestaties door meerdere modificatiestrategieën te combineren, en sommige metaalzinkaatverbindingen vertonen ook uitstekende elektrochemische prestaties.
4. MPₓ
Metaalfosfiden hebben de afgelopen jaren ook veel aandacht getrokken bij de toepassing van anodematerialen voor lithium-ionbatterijen. Deze verbindingen reageren over het algemeen met lithium via een conversiemechanisme en hebben vaak zeer hoge theoretische specifieke capaciteiten vanwege de multi-elektronenoverdrachtsreacties per formule-eenheid. Ze hebben echter in het algemeen last van grote volume-expansie tijdens lithiatie/delithiatie, wat leidt tot verpulvering en verlies van elektrisch contact tussen actieve deeltjes en de stroomcollector, wat hun praktische toepassing ernstig beperkt.
Onder hen zijn op ijzer, kobalt, nikkel en koper-gebaseerde fosfiden de afgelopen jaren intensief bestudeerd. Als we ijzerfosfiden als voorbeeld nemen, kunnen hun theoretische specifieke capaciteiten oplopen tot 500–1800 mAh·h/g. Bovendien vertonen metaalfosfiden over het algemeen hogere lithiumopslagspanningen (meestal 0,5–1 V versus Li⁺/Li) dan metaaloxiden en metaalsulfiden, wat het risico op de vorming van lithiumdendriet tijdens snel opladen helpt verminderen. Bovendien vertonen metaalfosfiden in het algemeen een hogere elektrische geleidbaarheid dan de overeenkomstige metaaloxiden, wat gunstig is voor het verbeteren van de snelheidsprestaties. Daarom is het rationele ontwerp van metaalfosfide-nanostructuren en hun composieten met op koolstof-gebaseerde materialen een belangrijke onderzoeksrichting op dit gebied geworden. Voorbeelden hiervan zijn Ni₂P, NiP₂, NiP₃, Ni₅P₄, CoP, Co₂P, CoP₃, FeP, FeP₂, Cu₃P, enz. Deze verbindingen hebben in onderzoek allemaal uitstekende lithiumopslagprestaties laten zien, wat een groot potentieel voor praktische toepassing laat zien. Ni₂P- en Li-Ni-P-ternaire verbindingen kunnen zelfs ultrasnelle lithium-ion-intercalatie-/de-intercalatiereacties bereiken vanwege hun unieke structuren en hoge elektrische geleidbaarheid.