مع تطور السيارات الكهربائية والإلكترونيات، تتطلب بطاريات الليثيوم أيون كثافة طاقة أعلى. تتميز أنودات الجرافيت التقليدية بسعة نظرية منخفضة تبلغ 372 مللي أمبير/ساعة، مما يحد من تحسين كثافة الطاقة. السيليكون متوفر بكثرة، وهو صديق للبيئة، وذو سعة نظرية عالية تبلغ 4200 مللي أمبير/ساعة. يُعد مادة أنود بطاريات الليثيوم أيون الواعدة من الجيل التالي. ومع ذلك، فإن التمدد الكبير في الحجم وانخفاض الكفاءة الكولومبية الابتدائية يعيقان تطبيقه العملي. يمكن لمواد الأنود المعدلة القائمة على السيليكون تحسين أدائها الكهروكيميائي بفعالية.
تحليل فشل بطاريات الليثيوم أيون ذات الأنود القائمة على السيليكون
السيليكون متوفر بكثرة في قشرة الأرض، وله سعة نظرية عالية تبلغ 4200 مللي أمبير/ساعة/غرام، كأنود بطارية ليثيوم-أيون. على الرغم من مزاياه، تظهر مشاكل أثناء عملية الليثيوم، مثل تمدد الحجم وانخفاض الموصلية. قد تتكسر المادة الفعالة أو تتفتت، وقد تنفصل مادة القطب عن مجمع التيار.
عند استخدام مواد السيليكون كأنودات بطاريات الليثيوم، يخضع السيليكون والليثيوم لتفاعل سبائك أثناء الشحن والتفريغ. في هذه العملية، يتقلب حجم السيليكون بمقدار يتراوح بين 100% و300%. تُسبب التغيرات في محتوى السيليكون تشققات في مادة الأنود، مما يؤدي إلى تفتيتها. تنفصل المادة المسحوقة عن مجمع التيار، مما يُلحق الضرر ببنية الأنود. خلال هذه الفترة، يكون تدهور سعة البطارية أسرع بكثير من البطاريات التقليدية.
خلال دورات الشحن والتفريغ، تمنع التقلبات الكبيرة في حجم السيليكون طبقة واجهة الإلكتروليت الصلبة (SEI) من البقاء سليمة. عندما تتشقق هذه الطبقة، تتشكل طبقات جديدة منها، مما يؤدي إلى استهلاك الليثيوم. يؤدي التكون المستمر لطبقة SEI إلى فقدان كبير لليثيوم، مما يزيد من المقاومة الداخلية ويقلل السعة بسرعة.
نظرًا لانخفاض تركيز الناقل الداخلي للسيليكون، فإن فعالية الإطلاق وكفاءة الدورة وتوصيل البطارية ضعيفتان، مما يحد من استخدامها في السوق.
مواد الأنود المعدلة القائمة على السيليكون
تعديل السطح التقنيات تغير المواد الكيميائية تغيير تركيب أو بنية سطح المادة باستخدام الطرق الكيميائية أو الفيزيائية، مع الحفاظ على خصائصها الجوهرية وإضفاء خصائص سطحية جديدة.
حاليًا، تتضمن تقنيات مواد الأنود المعدلة القائمة على السيليكون بشكل أساسي السطح طلاء، والوظائف السطحية، وأفلام SEI الاصطناعية، والتي تعمل جميعها على تحسين الأداء الكهروكيميائي للأقطاب الموجبة القائمة على السيليكون بشكل فعال.
طلاء السطح
تتمثل الآلية الرئيسية لطلاء سطح السيليكون في تكوين طبقة واقية واحدة أو أكثر على سطح السيليكون. تُحضّر هذه الطبقات بطرق فيزيائية أو كيميائية لتحسين الأداء الكهروكيميائي لأنود السيليكون. عادةً، تؤدي الطبقة الواقية الوظائف التالية:
- تثبيت بنية الأنود السيليكوني وقمع التوسع الحجمي لتحسين أداء الدورة.
- يعمل كحاجز لتقليل الاتصال المباشر بين السيليكون والإلكتروليت، ويمنع التفاعلات الجانبية، ويقلل من استهلاك Li+، مما يحسن ICE.
- تتمتع الطبقة الواقية السطحية بالقدرة على نقل الأيونات والإلكترونات، مما يحسن من توصيل ركيزة السيليكون.
يُعد طلاء سطح السيليكون من الطرق الرئيسية لتطبيقات أنود السيليكون والكربون التجارية. تشمل التقنيات الشائعة لتحضير مواد طلاء سطح السيليكون الطرق الكيميائية الرطبة، والطحن الميكانيكي بالكرات، والتجفيف بالرش، والترسيب، وغيرها من الطرق المماثلة. ويتبع ذلك المعالجة الحرارية أو التركيب المباشر لبنية الطلاء.
تتمثل مزاياها الرئيسية في أن طرق الطلاء متنوعة وسهلة الإنتاج بكميات كبيرة.
تعمل طبقة الطلاء على منع التوسع في الحجم بشكل فعال أثناء عملية الشحن والتفريغ، مما يعزز أداء الدورة.
وظائف السطح
الإضفاء الوظيفي على أسطح المواد المسحوقة هو طريقة لتحضير مواد ذات خصائص محددة. تتضمن هذه الطريقة تعديل سطح الركيزة بجزيئات وظيفية لتحقيق التجانس أو فصل الطور. يستفيد هذا النهج من مزايا الأداء لكلا النظامين. يمكن التحكم بدقة في البنية والوظيفة من خلال طرق محددة، مما يمنح المادة الرئيسية خصائص مختلفة.
حاليًا، تُعالج معالجات تحسين وظائف السطح مشكلات مثل تمدد حجم أنود السيليكون، وضعف التوصيل، وانخفاض معامل ICE. تتمثل الآلية الرئيسية في المعالجة المسبقة لسطح السيليكون، يليها تطعيم المجموعات الوظيفية في الموقع. تُستخدم المجموعات الوظيفية السطحية لتحسين الأداء الكهروكيميائي لأنودات السيليكون. ويُستخدم تحسين وظائف السطح غالبًا في أبحاث تعديل أسطح السيليكون النانوي.
دوره الرئيسي هو تعزيز التفاعل بين السيليكون المُعدَّل والإلكتروليت. هذا يُعزز تحلل الإلكتروليت لتكوين طبقة SEI مستقرة، مما يُحسّن الأداء الكهروكيميائي لأنود السيليكون.
ميزتها الرئيسية هي بساطة طريقة التعديل. عيبها هو أن نطاق تطبيقها يقتصر على السيليكون النانوي.
فيلم SEI الاصطناعي
خلال أول عملية إدخال لليثيوم، يتفاعل سطح السيليكون تفاعلاً لا رجعة فيه مع الإلكتروليت، مكوناً غشاءً يُسمى غشاء SEI. يلعب غشاء SEI دوراً هاماً في منع المزيد من التفاعلات اللارجعة، مما يضمن انعكاسية القطب. مع ذلك، يستهلك تكوين غشاء SEI بعضاً من الليثيوم الموجب والإلكتروليت، مما يؤثر على الكفاءة الأولية. إذا كان غشاء SEI سميكاً جداً، فقد يعيق نقل الليثيوم الموجب ويؤثر على النشاط الكهروكيميائي للأنود. يُعد غشاء SEI المستقر ضرورياً لتحقيق أنودات عالية الأداء مصنوعة من السيليكون. تُشكل طريقة بناء غشاء SEI الاصطناعي (ASEI) هياكل سطحية خاصة على السيليكون. هذا يقلل من التفاعلات الجانبية ويمنع تحلل الإلكتروليت، مما يؤدي إلى غشاء SEI أكثر استقراراً ومعامل ICE أعلى.
تشمل مزاياها تنوع الأساليب ونماذج طبقات الأغشية الغنية. إلا أن عيوبها تتمثل في صعوبة التحكم في تكوين غشاء SEI الموحد، وعدم قابلية التوسع لتطبيقات الإنتاج.
تطبيقات مواد الأنود القائمة على السيليكون
تُعتبر الأنودات المصنوعة من السيليكون من أكثر مواد الأنود الواعدة للجيل القادم في مجال التصنيع، حيث تحظى بإجماع واسع في قطاع الطاقة الجديدة. تُظهر الدراسات أن استخدام الأنودات المصنوعة من السيليكون يمكن أن يزيد كثافة الطاقة بمقدار يتراوح بين 20% و40% مقارنةً بالبطاريات المماثلة المتوفرة حاليًا.
من منظور مسار العملية، تُقسّم الأنودات القائمة على السيليكون إلى تقنيتي أنود السيليكون-الكربون وأنود السيليكون-الأكسجين. في السنوات الأخيرة، تسارع استخدام أنودات السيليكون-الكربون.
في عام ٢٠١٧، استخدمت تسلا أنودات السيليكون والكربون في الإنتاج الضخم لسيارة موديل ٣ الكهربائية، مما زاد من مداها بمقدار ٢٠١TP٣T. وقد أظهر هذا التأثير الكبير لأنودات السيليكون والكربون في تحسين أداء البطارية، وحظي باهتمام كبير. في يونيو ٢٠٢٢، أطلقت شركة CATL بطارية Qilin، المصنوعة من مواد السيليكون والكربون بكثافة طاقة ٢٥٥ واط/كجم. في يونيو ٢٠٢٣، أعلنت تسلا أن الإنتاج التراكمي لبطارية السيليكون والكربون ٤٦٨٠ تجاوز ١٠ ملايين وحدة، مسجلةً بذلك مرحلة الإنتاج الضخم الرسمية. بطارية 4680.
خاتمة
بفضل التوجهات الجديدة في مركبات الطاقة الجديدة واقتصاد المناطق المنخفضة، تكتسب الأنودات المصنوعة من السيليكون اهتمامًا متزايدًا باعتبارها مادة الأنود الجديدة المفضلة لبطاريات الحالة الصلبة. تشير الأبحاث الحالية إلى أن طريقة تعديل سطح واحدة لا تكفي لمعالجة المشكلات الناجمة عن تمدد حجم أنود السيليكون بشكل شامل. بالإضافة إلى ذلك، تتضمن بعض طرق التعديل عمليات معقدة وتكاليف باهظة، مما يجعل التطبيقات الصناعية واسعة النطاق صعبة.
لذلك، قد يركز اتجاه التطوير المستقبلي على التحسين التآزري لطرق التعديل المتعددة.
من خلال تطبيقات شاملة مثل تعديل السطح، يمكن تحقيق التحكم الفعال في توسع حجم أنود السيليكون والقضايا ذات الصلة.
مسحوق ملحمي
مسحوق ملحميأكثر من ٢٠ عامًا من الخبرة في صناعة المساحيق فائقة النعومة. ندعم بنشاط تطوير المساحيق فائقة النعومة، مع التركيز على عمليات التكسير والطحن والتصنيف والتعديل. تواصل معنا للحصول على استشارة مجانية وحلول مُخصصة! فريقنا من الخبراء مُلتزم بتقديم منتجات وخدمات عالية الجودة لتعزيز قيمة معالجة مساحيقك. إيبك باودر - خبيرك الموثوق في معالجة المساحيق!