Dengan evolusi EV dan elektronik, bateri litium-ion memerlukan ketumpatan tenaga yang lebih tinggi. Anod grafit tradisional mempunyai kapasiti teori yang rendah iaitu 372mAh/g, mengehadkan peningkatan ketumpatan tenaga. Silikon adalah banyak, mesra alam, dan mempunyai kapasiti teori yang tinggi iaitu 4200mAh/g. Ia dianggap sebagai bahan anod bateri lithium-ion generasi akan datang yang menjanjikan. Walau bagaimanapun, pengembangan volum yang teruk dan kecekapan Coulombic awal yang rendah menghalang penggunaan praktikalnya. Bahan Anod Berasaskan Silikon yang diubah suai boleh meningkatkan prestasi elektrokimianya dengan berkesan.
Analisis Kegagalan Bateri Litium-Ion Anod Berasaskan Silikon
Silikon banyak terdapat di kerak bumi dan mempunyai kapasiti teori yang tinggi iaitu 4200mAh/g sebagai anod bateri lithium-ion. Walaupun kelebihannya, isu timbul semasa lithiation, seperti pengembangan isipadu dan kekonduksian yang berkurangan. Bahan aktif mungkin patah atau hancur, dan bahan elektrod mungkin terpisah daripada pengumpul semasa.
Apabila bahan berasaskan silikon digunakan sebagai anod bateri litium, silikon dan litium mengalami tindak balas pengaloian semasa cas dan nyahcas. Dalam proses ini, isipadu silikon turun naik sebanyak 100%–300%. Perubahan dalam kandungan silikon menyebabkan keretakan pada bahan anod, yang membawa kepada pemisahan. Bahan hancur tertanggal daripada pengumpul semasa, merosakkan struktur anod. Dalam tempoh ini, kemerosotan kapasiti bateri adalah lebih cepat daripada bateri konvensional.
Semasa kitaran cas-nyahcas, turun naik volum besar silikon menghalang filem antara muka elektrolit pepejal (SEI) daripada kekal utuh. Apabila filem SEI retak, lapisan SEI baharu terbentuk, dengan itu memakan litium. Pembentukan SEI yang berterusan membawa kepada kehilangan litium yang ketara, meningkatkan rintangan dalaman dan mengurangkan kapasiti dengan pantas.
Disebabkan oleh kepekatan pembawa intrinsik yang rendah bagi silikon, pelepasan berkesan dan kecekapan kitaran serta kekonduksian bateri adalah lemah. Ini mengehadkan penggunaannya di pasaran.
Bahan Anod Berasaskan Silikon Ubahsuai
Pengubahsuaian permukaan teknik mengubah kimia komposisi atau struktur permukaan bahan menggunakan kaedah kimia atau fizikal, sambil mengekalkan sifat sedia ada dan memberikan ciri permukaan baharu.
Pada masa ini, teknik Bahan Anod Berasaskan Silikon Terubah suai terutamanya merangkumi permukaan salutan, kefungsian permukaan dan filem SEI tiruan, yang kesemuanya meningkatkan prestasi elektrokimia anod berasaskan silikon dengan berkesan.
Salutan Permukaan
Mekanisme utama salutan permukaan silikon adalah untuk mencipta satu atau lebih lapisan pelindung pada permukaan silikon. Lapisan ini disediakan menggunakan kaedah fizikal atau kimia untuk meningkatkan prestasi elektrokimia anod silikon. Lazimnya, lapisan pelindung mempunyai fungsi berikut.
- Menstabilkan struktur anod silikon dan menyekat pengembangan volum untuk meningkatkan prestasi berbasikal.
- Berfungsi sebagai penghalang untuk mengurangkan sentuhan langsung antara silikon dan elektrolit, menghalang tindak balas sampingan, dan mengurangkan penggunaan Li+, meningkatkan ICE.
- Lapisan pelindung permukaan mempunyai keupayaan untuk menghantar ion dan elektron, meningkatkan kekonduksian substrat silikon.
Salutan permukaan silikon dianggap sebagai salah satu kaedah utama untuk aplikasi anod silikon-karbon komersial. Teknik biasa untuk menyediakan prekursor salutan permukaan silikon termasuk kaedah kimia basah, pengilangan bebola mekanikal, pengeringan semburan, pemendapan dan kaedah lain yang serupa. Ini diikuti dengan rawatan haba atau sintesis langsung struktur salutan.
Kelebihan utamanya ialah kaedah salutan adalah pelbagai dan mudah untuk dihasilkan secara besar-besaran.
Lapisan salutan berkesan menyekat pengembangan volum semasa proses caj-nyahcas, meningkatkan prestasi berbasikal.
Fungsi Permukaan
Kefungsian permukaan bahan serbuk adalah kaedah untuk menyediakan bahan dengan sifat tertentu. Ia melibatkan pengubahsuaian permukaan substrat dengan molekul berfungsi untuk mencapai kehomogenan atau pemisahan fasa. Pendekatan ini memanfaatkan kelebihan prestasi kedua-dua sistem. Struktur dan fungsi boleh dikawal dengan tepat melalui kaedah tertentu, memberikan sifat yang berbeza kepada bahan utama.
Pada masa ini, rawatan kefungsian permukaan menangani isu seperti pengembangan isipadu anod silikon, kekonduksian yang lemah dan ICE yang rendah. Mekanisme utama adalah pra-merawat permukaan silikon, diikuti dengan cantuman in-situ kumpulan berfungsi. Kumpulan fungsi permukaan digunakan untuk meningkatkan prestasi elektrokimia anod silikon. Kefungsian permukaan sering digunakan dalam penyelidikan pengubahsuaian permukaan silikon berstruktur nano.
Peranan utamanya adalah untuk meningkatkan interaksi antara silikon yang diubah suai dan elektrolit. Ini menggalakkan penguraian elektrolit untuk membentuk filem SEI yang stabil, meningkatkan prestasi elektrokimia anod silikon.
Kelebihan utamanya ialah kaedah pengubahsuaian adalah mudah. Kelemahannya ialah julat aplikasinya terhad kepada silikon skala nano.
Filem SEI tiruan
Semasa pemasukan litium pertama, permukaan silikon bertindak balas secara tidak boleh balik dengan elektrolit, membentuk filem yang dipanggil filem SEI. Filem SEI memainkan peranan penting dengan menghalang tindak balas tidak boleh balik selanjutnya, memastikan keterbalikan elektrod. Walau bagaimanapun, pembentukan filem SEI menggunakan beberapa Li+ dan elektrolit, menjejaskan kecekapan awal. Jika filem SEI terlalu tebal, ia boleh menyekat pengangkutan Li+ dan memberi kesan kepada aktiviti elektrokimia anod. Filem SEI yang stabil adalah penting untuk mencapai anod berasaskan silikon berprestasi tinggi. Kaedah membina filem "SEI buatan" (ASEI) membentuk struktur permukaan khas pada silikon. Ini mengurangkan tindak balas sampingan dan menghalang degradasi elektrolit, membawa kepada filem SEI yang lebih stabil dan ICE yang lebih tinggi.
Kelebihannya termasuk kaedah yang pelbagai dan model lapisan membran yang kaya. Walau bagaimanapun, kelemahannya ialah kesukaran mengawal pembentukan filem SEI yang seragam dan kekurangan skalabiliti untuk aplikasi pengeluaran.
Aplikasi Bahan Anod Berasaskan Silikon
Anod berasaskan silikon dianggap sebagai salah satu bahan anod generasi akan datang yang paling menjanjikan untuk perindustrian, mendapat konsensus yang meluas dalam industri tenaga baharu. Kajian menunjukkan bahawa menggunakan anod berasaskan silikon boleh meningkatkan ketumpatan tenaga sebanyak 20% kepada 40% berbanding bateri serupa yang ada pada hari ini.
Dari perspektif laluan proses, anod berasaskan silikon dibahagikan kepada teknologi anod silikon-karbon dan silikon-oksigen. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, penggunaan anod silikon-karbon telah dipercepatkan.
Pada 2017, Tesla menggunakan anod silikon-karbon dalam pengeluaran besar-besaran kenderaan elektrik Model 3, meningkatkan julat sebanyak 20%. Ini menunjukkan kesan ketara anod silikon-karbon pada peningkatan prestasi bateri dan mendapat perhatian yang besar. Pada Jun 2022, CATL mengeluarkan bateri Qilin, menggunakan bahan silikon-karbon dengan ketumpatan tenaga 255 Wh/kg. Pada Jun 2023, Tesla mengumumkan bahawa pengeluaran terkumpul bateri karbon 4680 silikonnya melepasi 10 juta unit, menandakan peringkat pengeluaran besar-besaran rasmi bagi 4680 bateri.
Kesimpulan
Didorong oleh trend dalam kenderaan tenaga baharu dan ekonomi altitud rendah, anod berasaskan silikon mendapat perhatian sebagai bahan anod baharu pilihan untuk bateri keadaan pepejal. Daripada penyelidikan semasa, kaedah pengubahsuaian permukaan tunggal tidak mencukupi untuk menangani secara menyeluruh isu yang disebabkan oleh pengembangan isipadu anod silikon. Selain itu, beberapa kaedah pengubahsuaian melibatkan proses yang kompleks dan kos yang tinggi, menjadikan aplikasi industri berskala besar mencabar.
Oleh itu, hala tuju pembangunan masa hadapan mungkin tertumpu pada pengoptimuman sinergi bagi pelbagai kaedah pengubahsuaian.
Melalui aplikasi komprehensif seperti pengubahsuaian permukaan, kawalan berkesan pengembangan isipadu anod silikon dan isu berkaitan boleh dicapai.
BEDAK EPIK
Bedak Epik, 20+ tahun pengalaman kerja dalam industri serbuk ultrahalus. Secara aktif menggalakkan pembangunan masa depan serbuk ultra-halus, memfokuskan pada proses penghancuran, pengisaran, pengelasan dan pengubahsuaian serbuk ultra-halus. Hubungi kami untuk perundingan percuma dan penyelesaian tersuai! Pasukan pakar kami berdedikasi untuk menyediakan produk dan perkhidmatan berkualiti tinggi untuk memaksimumkan nilai pemprosesan serbuk anda. Serbuk Epik—Pakar Pemprosesan Serbuk Dipercayai Anda!