З развіццём электрамабіляў і электронікі літый-іённыя батарэі патрабуюць больш высокай шчыльнасці энергіі. Традыцыйныя графітавыя аноды маюць нізкую тэарэтычную ёмістасць 372 мАг/г, што абмяжоўвае павышэнне шчыльнасці энергіі. Крэмній змяшчаецца ў вялікай колькасці, ён экалагічна чысты і мае высокую тэарэтычную ёмістасць 4200 мАг/г. Ён лічыцца перспектыўным анодным матэрыялам для літый-іённых батарэй наступнага пакалення. Аднак сур'ёзнае пашырэнне аб'ёму і нізкі пачатковы кулонаўскі ККД перашкаджаюць яго практычнаму прымяненню. Мадыфікаваныя анодныя матэрыялы на аснове крэмнія могуць эфектыўна палепшыць свае электрахімічныя характарыстыкі.
Аналіз адмоваў літый-іённых акумулятараў з крэмніевым анодам
Крэмній у вялікай колькасці змяшчаецца ў зямной кары і мае высокую тэарэтычную ёмістасць 4200 мАг/г у якасці анода літый-іённай батарэі. Нягледзячы на яго перавагі, у працэсе літацыі ўзнікаюць такія праблемы, як пашырэнне аб'ёму і зніжэнне праводнасці. Актыўны матэрыял можа разбіцца або распыліцца, а матэрыял электрода можа аддзяліцца ад токапрыёмніка.
Калі матэрыялы на аснове крэмнія выкарыстоўваюцца ў якасці анодаў літыевых батарэй, крэмній і літый падвяргаюцца рэакцыі сплаву падчас зарадкі і разрадкі. У гэтым працэсе аб'ём крэмнія вагаецца ў межах 100%–300%. Змены ўтрымання крэмнію выклікаюць расколіны ў матэрыяле анода, што прыводзіць да распылення. Распылены матэрыял адрываецца ад токапрыёмніка, пашкоджваючы структуру анода. У гэты перыяд дэградацыя ёмістасці акумулятара адбываецца значна хутчэй, чым у звычайных акумулятараў.
Падчас цыклаў зарада-разраду вялікія ваганні аб'ёму крэмнію перашкаджаюць захаванню плёнкі інтэрфейсу цвёрдага электраліта (SEI). Калі плёнка SEI трэскаецца, утвараюцца новыя пласты SEI, якія спажываюць літый. Бесперапыннае фарміраванне SEI прыводзіць да значнай страты літыя, павялічваючы ўнутраны супраціў і хутка зніжаючы ёмістасць.
З-за нізкай уласнай канцэнтрацыі носьбіта крэмнію эфектыўнасць вызвалення і цыклу, а таксама праводнасць батарэі дрэнныя. Гэта абмяжоўвае яго прымяненне на рынку.
Мадыфікаваныя анодныя матэрыялы на аснове крэмнія
Мадыфікацыя паверхні метады змяніць ст хімічны склад або структура паверхні матэрыялу з выкарыстаннем хімічных або фізічных метадаў, захоўваючы ўласцівыя яму ўласцівасці і надаючы новыя характарыстыкі паверхні.
У цяперашні час метады мадыфікаваных анодных матэрыялаў на аснове крэмнію ў асноўным ўключаюць паверхню пакрыццё, функцыяналізацыя паверхні і плёнкі штучнага SEI, якія эфектыўна паляпшаюць электрахімічныя характарыстыкі анодаў на аснове крэмнія.
Пакрыццё паверхні
Асноўны механізм крэмніевага пакрыцця паверхні - стварэнне аднаго або некалькіх ахоўных слаёў на паверхні крэмнія. Гэтыя пласты падрыхтаваны з выкарыстаннем фізічных або хімічных метадаў для паляпшэння электрахімічных характарыстык крамянёвага анода. Як правіла, ахоўны пласт выконвае наступныя функцыі.
- Стабілізуйце структуру крамянёвага анода і здушыце пашырэнне аб'ёму для паляпшэння цыклічных характарыстык.
- Служыць бар'ерам для памяншэння прамога кантакту паміж крэмніем і электралітам, інгібіравання пабочных рэакцый і зніжэння спажывання Li+, паляпшаючы ICE.
- Павярхоўны ахоўны пласт валодае здольнасцю прапускаць іёны і электроны, паляпшаючы праводнасць крэмніевай падкладкі.
Пакрыццё паверхні крэмніем лічыцца адным з асноўных метадаў камерцыйнага прымянення вугляродна-крэмніевага анода. Распаўсюджаныя метады падрыхтоўкі крэмніевых папярэднікаў павярхоўнага пакрыцця ўключаюць вільготныя хімічныя метады, механічны шаравы млын, сушку распыленнем, нанясенне і іншыя падобныя метады. Затым праводзіцца тэрмаапрацоўка або непасрэдны сінтэз структуры пакрыцця.
Яго галоўныя перавагі ў тым, што метады пакрыцця разнастайныя і простыя ў масавай вытворчасці.
Пласт пакрыцця эфектыўна душыць пашырэнне аб'ёму падчас працэсу зарада-разраду, паляпшаючы прадукцыйнасць цыкла.
Функцыяналізацыя паверхні
Функцыяналізацыя паверхні парашковых матэрыялаў - гэта метад атрымання матэрыялаў з пэўнымі ўласцівасцямі. Гэта ўключае ў сябе мадыфікацыю паверхні падкладкі функцыянальнымі малекуламі для дасягнення аднастайнасці або падзелу фаз. Гэты падыход выкарыстоўвае перавагі прадукцыйнасці абедзвюх сістэм. Структуру і функцыі можна дакладна кантраляваць з дапамогай спецыяльных метадаў, якія надаюць розныя ўласцівасці асноўнаму матэрыялу.
У цяперашні час метады функцыяналізацыі паверхні вырашаюць такія праблемы, як пашырэнне аб'ёму крамянёвага анода, дрэнная праводнасць і нізкі ICE. Асноўны механізм - папярэдняя апрацоўка паверхні крэмнію з наступнай прышчэпкай функцыянальных груп на месцы. Паверхневыя функцыянальныя групы выкарыстоўваюцца для паляпшэння электрахімічных характарыстык крэмніевых анодаў. Функцыяналізацыя паверхні часта ўжываецца ў даследаваннях мадыфікацыі паверхні нанаструктураванага крэмнія.
Яго асноўная роля - узмацненне ўзаемадзеяння паміж мадыфікаваным крэмніем і электралітам. Гэта спрыяе раскладанню электраліта з адукацыяй стабільнай плёнкі SEI, паляпшаючы электрахімічныя характарыстыкі крамянёвага анода.
Яго галоўная перавага ў тым, што спосаб мадыфікацыі просты. Яго недахопам з'яўляецца тое, што дыяпазон яго прымянення абмежаваны нанаразмерным крэмніем.
Плёнка штучнага SEI
Падчас першай устаўкі літыя паверхня крэмнію ўступае ў незваротную рэакцыю з электралітам, утвараючы плёнку, званую плёнкай SEI. Плёнка SEI гуляе важную ролю, прадухіляючы далейшыя незваротныя рэакцыі, забяспечваючы зварачальнасць электрода. Аднак утварэнне плёнкі SEI спажывае некаторы колькасць Li+ і электраліта, што ўплывае на першапачатковую эфектыўнасць. Калі плёнка SEI занадта тоўстая, яна можа блакаваць транспарт Li+ і паўплываць на электрахімічную актыўнасць анода. Стабільная плёнка SEI важная для дасягнення высокаэфектыўных анодаў на аснове крэмнія. Метад стварэння плёнкі «штучнага SEI» (ASEI) утварае спецыяльныя павярхоўныя структуры на крэмніі. Гэта памяншае пабочныя рэакцыі і тармозіць дэградацыю электраліта, што прыводзіць да больш стабільнай плёнкі SEI і больш высокага ICE.
Яго перавагі ўключаюць разнастайныя метады і багатыя мадэлі мембраннага пласта. Аднак недахопамі з'яўляюцца цяжкасці ў кіраванні раўнамерным фарміраваннем плёнкі SEI і адсутнасць магчымасці маштабавання для вытворчых прыкладанняў.
Прымяненне анодных матэрыялаў на аснове крэмнія
Аноды на аснове крэмнія лічацца адным з найбольш перспектыўных анодных матэрыялаў наступнага пакалення для індустрыялізацыі, атрымаўшы шырокі кансенсус у новай энергетычнай індустрыі. Даследаванні паказваюць, што выкарыстанне крэмніевых анодаў можа павялічыць шчыльнасць энергіі на 20% да 40% у параўнанні з аналагічнымі батарэямі, даступнымі сёння.
З пункту гледжання тэхналагічнага працэсу аноды на аснове крэмнія падзяляюцца на крэмніева-вугляродныя і крэмніева-кіслародныя анодныя тэхналогіі. У апошнія гады прымяненне крэмневугляродных анодаў паскорылася.
У 2017 годзе кампанія Tesla выкарыстала крамянёва-вугляродныя аноды ў серыйнай вытворчасці электрамабіля Model 3, павялічыўшы запас ходу на 20%. Гэта прадэманстравала значны ўплыў крамянёва-вугляродных анодаў на паляпшэнне прадукцыйнасці батарэі і прыцягнула значную ўвагу. У чэрвені 2022 года CATL выпусціла батарэю Qilin з выкарыстаннем вугляродна-крэмніевых матэрыялаў з шчыльнасцю энергіі 255 Вт·гадз/кг. У чэрвені 2023 года кампанія Tesla абвясціла, што сукупная вытворчасць вугляродна-крэмніевай батарэі 4680 перавысіла 10 мільёнаў адзінак, што азначае афіцыйны этап серыйнай вытворчасці Акумулятар 4680.
Заключэнне
Падштурхоўваючыся да тэндэнцый у галіне новых энергетычных транспартных сродкаў і эканомікі на малых вышынях, аноды на аснове крэмнію прыцягваюць увагу як пераважны новы анодны матэрыял для цвёрдацельных батарэй. Згодна з бягучымі даследаваннямі, аднаго метаду мадыфікацыі паверхні недастаткова для поўнага вырашэння праблем, выкліканых пашырэннем аб'ёму крамянёвага анода. Акрамя таго, некаторыя метады мадыфікацыі ўключаюць складаныя працэсы і высокія выдаткі, што робіць буйнамаштабнае прамысловае прымяненне складанай задачай.
Такім чынам, будучы кірунак развіцця можа быць сканцэнтраваны на сінэргетычнай аптымізацыі некалькіх метадаў мадыфікацыі.
З дапамогай комплексных прыкладанняў, такіх як мадыфікацыя паверхні, можа быць дасягнуты эфектыўны кантроль пашырэння аб'ёму крамянёвага анода і звязаных з гэтым праблем.
ЭПІЧНАЯ ПАРАШКА
Эпічны парашок, больш за 20 гадоў вопыту работы ў прамысловасці ультратонкага парашка. Актыўна садзейнічаць будучаму развіццю звыштонкага парашка, засяродзіўшы ўвагу на працэсе драбнення, памолу, класіфікацыі і мадыфікацыі звыштонкага парашка. Звяжыцеся з намі для бясплатнай кансультацыі і індывідуальных рашэнняў! Наша каманда экспертаў імкнецца прадастаўляць высакаякасныя прадукты і паслугі, каб максымізаваць каштоўнасць вашай апрацоўкі парашка. Epic Powder—Ваш надзейны эксперт па апрацоўцы парашка!