Dengan evolusi kendaraan listrik dan elektronik, baterai lithium-ion memerlukan kepadatan energi yang lebih tinggi. Anoda grafit tradisional memiliki kapasitas teoritis yang rendah sebesar 372 mAh/g, sehingga membatasi peningkatan kepadatan energi. Silikon berlimpah, ramah lingkungan, dan memiliki kapasitas teoritis yang tinggi sebesar 4200 mAh/g. Silikon dianggap sebagai bahan anoda baterai lithium-ion generasi berikutnya yang menjanjikan. Namun, ekspansi volume yang parah dan efisiensi Coulombik awal yang rendah menghambat penerapan praktisnya. Bahan Anoda Berbasis Silikon yang dimodifikasi dapat secara efektif meningkatkan kinerja elektrokimianya.
Analisis Kegagalan Baterai Lithium-Ion Anoda Berbasis Silikon
Silikon berlimpah di kerak Bumi dan memiliki kapasitas teoritis tinggi sebesar 4200mAh/g sebagai anoda baterai lithium-ion. Meskipun memiliki kelebihan, masalah muncul selama litiasi, seperti ekspansi volume dan konduktivitas yang berkurang. Bahan aktif dapat retak atau hancur, dan bahan elektroda dapat terpisah dari pengumpul arus.
Bila bahan berbasis silikon digunakan sebagai anoda baterai litium, silikon dan litium mengalami reaksi paduan selama pengisian dan pengosongan. Dalam proses ini, volume silikon berfluktuasi sebesar 100%–300%. Perubahan kandungan silikon menyebabkan retakan pada bahan anoda, yang menyebabkan penghancuran. Bahan yang dihancurkan terlepas dari pengumpul arus, sehingga merusak struktur anoda. Selama periode ini, penurunan kapasitas baterai jauh lebih cepat daripada baterai konvensional.
Selama siklus pengisian-pengosongan, fluktuasi volume silikon yang besar mencegah lapisan antarmuka elektrolit padat (SEI) tetap utuh. Ketika lapisan SEI retak, lapisan SEI baru terbentuk, sehingga menghabiskan litium. Pembentukan SEI yang berkelanjutan menyebabkan hilangnya litium secara signifikan, meningkatkan resistansi internal dan mengurangi kapasitas dengan cepat.
Karena konsentrasi pembawa intrinsik silikon rendah, pelepasan dan efisiensi siklus serta konduktivitas baterai yang efektif menjadi buruk. Hal ini membatasi penerapannya di pasaran.
Bahan Anoda Berbasis Silikon yang Dimodifikasi
Modifikasi permukaan teknik mengubah bahan kimia komposisi atau struktur permukaan suatu material menggunakan metode kimia atau fisika, sambil mempertahankan sifat bawaannya dan memberikan karakteristik permukaan baru.
Saat ini, teknik Material Anoda Berbasis Silikon Termodifikasi terutama mencakup permukaan lapisan, fungsionalisasi permukaan, dan film SEI buatan, yang semuanya secara efektif meningkatkan kinerja elektrokimia anoda berbasis silikon.
Pelapisan Permukaan
Mekanisme utama pelapisan permukaan silikon adalah menciptakan satu atau lebih lapisan pelindung pada permukaan silikon. Lapisan-lapisan ini disiapkan menggunakan metode fisika atau kimia untuk meningkatkan kinerja elektrokimia anoda silikon. Biasanya, lapisan pelindung memiliki fungsi-fungsi berikut.
- Stabilkan struktur anoda silikon dan tekan ekspansi volume untuk meningkatkan kinerja siklus.
- Berfungsi sebagai penghalang untuk mengurangi kontak langsung antara silikon dan elektrolit, menghambat reaksi samping, dan mengurangi konsumsi Li+, sehingga meningkatkan ICE.
- Lapisan pelindung permukaan memiliki kemampuan untuk mentransmisikan ion dan elektron, meningkatkan konduktivitas substrat silikon.
Pelapisan permukaan silikon dianggap sebagai salah satu metode utama untuk aplikasi anoda silikon-karbon komersial. Teknik umum untuk menyiapkan prekursor pelapisan permukaan silikon meliputi metode kimia basah, penggilingan bola mekanis, pengeringan semprot, pengendapan, dan metode serupa lainnya. Ini diikuti oleh perlakuan panas atau sintesis langsung dari struktur pelapisan.
Keunggulan utamanya adalah metode pelapisannya beragam dan mudah diproduksi massal.
Lapisan pelapis secara efektif menekan ekspansi volume selama proses pengisian-pengosongan, meningkatkan kinerja siklus.
Fungsionalisasi Permukaan
Fungsionalisasi permukaan bahan serbuk merupakan metode untuk menyiapkan bahan dengan sifat-sifat tertentu. Metode ini melibatkan modifikasi permukaan substrat dengan molekul fungsional untuk mencapai homogenitas atau pemisahan fase. Pendekatan ini memanfaatkan keunggulan kinerja kedua sistem. Struktur dan fungsi dapat dikontrol secara tepat melalui metode-metode tertentu, sehingga memberikan sifat-sifat yang berbeda pada bahan utama.
Saat ini, perawatan fungsionalisasi permukaan mengatasi masalah seperti ekspansi volume anoda silikon, konduktivitas yang buruk, dan ICE yang rendah. Mekanisme utamanya adalah pra-perawatan permukaan silikon, diikuti oleh pencangkokan gugus fungsional secara in-situ. Gugus fungsional permukaan digunakan untuk meningkatkan kinerja elektrokimia anoda silikon. Fungsionalisasi permukaan sering diterapkan dalam penelitian modifikasi permukaan silikon berstruktur nano.
Peran utamanya adalah untuk meningkatkan interaksi antara silikon yang dimodifikasi dan elektrolit. Hal ini mendorong dekomposisi elektrolit untuk membentuk lapisan SEI yang stabil, sehingga meningkatkan kinerja elektrokimia anoda silikon.
Keunggulan utamanya adalah metode modifikasinya yang sederhana. Kekurangannya adalah jangkauan aplikasinya terbatas pada silikon skala nano.
Film SEI Buatan
Selama penyisipan litium pertama, permukaan silikon bereaksi secara ireversibel dengan elektrolit, membentuk lapisan yang disebut lapisan SEI. Lapisan SEI memainkan peran penting dengan mencegah reaksi ireversibel lebih lanjut, memastikan reversibilitas elektroda. Namun, pembentukan lapisan SEI menghabiskan sejumlah Li+ dan elektrolit, yang memengaruhi efisiensi awal. Jika lapisan SEI terlalu tebal, lapisan ini dapat menghalangi pengangkutan Li+ dan memengaruhi aktivitas elektrokimia anoda. Lapisan SEI yang stabil sangat penting untuk mencapai anoda berbasis silikon berkinerja tinggi. Metode pembuatan lapisan "SEI buatan" (ASEI) membentuk struktur permukaan khusus pada silikon. Hal ini mengurangi reaksi samping dan menghambat degradasi elektrolit, yang menghasilkan lapisan SEI yang lebih stabil dan ICE yang lebih tinggi.
Keunggulannya meliputi beragam metode dan model lapisan membran yang kaya. Namun, kekurangannya adalah kesulitan dalam mengendalikan pembentukan film SEI yang seragam dan kurangnya skalabilitas untuk aplikasi produksi.
Aplikasi Bahan Anoda Berbasis Silikon
Anoda berbasis silikon dianggap sebagai salah satu bahan anoda generasi mendatang yang paling menjanjikan untuk industrialisasi, dan memperoleh konsensus luas dalam industri energi baru. Studi menunjukkan bahwa penggunaan anoda berbasis silikon dapat meningkatkan kepadatan energi sebesar 20% hingga 40% dibandingkan dengan baterai serupa yang tersedia saat ini.
Dari perspektif rute proses, anoda berbasis silikon dibagi menjadi teknologi anoda silikon-karbon dan silikon-oksigen. Dalam beberapa tahun terakhir, penerapan anoda silikon-karbon telah meningkat pesat.
Pada tahun 2017, Tesla menerapkan anoda silikon-karbon dalam produksi massal kendaraan listrik Model 3, yang meningkatkan jangkauan hingga 20%. Hal ini menunjukkan dampak signifikan anoda silikon-karbon dalam meningkatkan kinerja baterai dan mendapat perhatian besar. Pada bulan Juni 2022, CATL merilis baterai Qilin, yang menggunakan bahan silikon-karbon dengan kepadatan energi 255 Wh/kg. Pada bulan Juni 2023, Tesla mengumumkan bahwa produksi kumulatif baterai silikon karbon 4680 telah melampaui 10 juta unit, yang menandai tahap produksi massal resmi Baterai 4680.
Kesimpulan
Didorong oleh tren kendaraan energi baru dan ekonomi dataran rendah, anoda berbasis silikon mulai mendapat perhatian sebagai bahan anoda baru yang lebih disukai untuk baterai solid-state. Dari penelitian saat ini, metode modifikasi permukaan tunggal tidak cukup untuk mengatasi masalah yang disebabkan oleh ekspansi volume anoda silikon secara menyeluruh. Selain itu, beberapa metode modifikasi melibatkan proses yang rumit dan biaya tinggi, sehingga membuat aplikasi industri berskala besar menjadi sulit.
Oleh karena itu, arah pengembangan di masa mendatang mungkin berfokus pada optimalisasi sinergis berbagai metode modifikasi.
Melalui aplikasi komprehensif seperti modifikasi permukaan, pengendalian yang efektif terhadap perluasan volume anoda silikon dan masalah terkait dapat dicapai.
BUBUK EPIK
Bubuk Epik, 20+ tahun pengalaman kerja di industri bubuk ultrafine. Secara aktif mempromosikan pengembangan bubuk ultra-fine di masa depan, dengan fokus pada proses penghancuran, penggilingan, pengklasifikasian, dan modifikasi bubuk ultra-fine. Hubungi kami untuk konsultasi gratis dan solusi yang disesuaikan! Tim ahli kami berdedikasi untuk menyediakan produk dan layanan berkualitas tinggi guna memaksimalkan nilai pemrosesan bubuk Anda. Epic Powder—Ahli Pemrosesan Bubuk Tepercaya Anda!