Karbon kapasitor dan karbon berliang untuk karbon silikon adalah dua bahan yang serupa, kedua-duanya tergolong dalam karbon berliang, tetapi ia berbeza dalam sifat elektrokimia, kaedah pengeluaran dan bidang aplikasi. Ciri-ciri kedua-dua bahan ini dan perbezaan antara mereka akan diperkenalkan di bawah.
Kapasitor Karbon
Karbon kapasitor ialah karbon teraktif dengan kawasan permukaan yang tinggi, berliang. Ia digunakan secara meluas sebagai elektrod dalam peranti penyimpanan tenaga. Pengeluaran karbon kapasitor biasanya melibatkan bahan mentah pengkarbonan, seperti arang batu dan tempurung kelapa. Ia kemudiannya menjalani proses pengaktifan. Proses pengaktifan boleh berbentuk fizikal (menggunakan wap air atau karbon dioksida) atau kimia (menggunakan asid, bes atau garam). Karbon kapasitor mempunyai tiga kelebihan utama. Ia kos rendah, mempunyai kawasan permukaan yang besar, dan struktur liang yang kaya. Ciri-ciri ini memberikan kapasiti penyimpanan cas yang tinggi sebagai bahan elektrod dalam supercapacitors.
Ciri-ciri utama karbon kapasitor termasuk:
Luas permukaan khusus yang besar: karbon kapasitor mempunyai luas permukaan khusus yang sangat besar, yang membolehkannya menyerap sejumlah besar larutan elektrolit, dengan itu membentuk lapisan dua pada permukaan elektrod, yang merupakan kunci untuk menyimpan cas.
Struktur liang yang dibangunkan dengan baik: karbon kapasitor mempunyai struktur liang mikroporous dan mesoporus yang dibangunkan dengan baik, yang kondusif untuk pembasahan elektrolit dan pergerakan ion yang cepat, dengan itu meningkatkan prestasi kapasitor.
Kekonduksian tinggi: kekonduksian ionik karbon kapasitor yang tinggi memudahkan pengecasan dan nyahcas pantas, yang merupakan faktor penting dalam mencapai ketumpatan kuasa tinggi kapasitor super.
Kestabilan kimia yang tinggi: dalam pelbagai elektrolit berasid dan beralkali, karbon kapasitor mempamerkan kestabilan kimia yang tinggi, memastikan prestasi stabil kapasitor dalam persekitaran yang berbeza.
Mesra alam sekitar: karbon kapasitor tidak mengandungi logam berat dan tidak akan mencemarkan alam sekitar. Ia adalah bahan simpanan tenaga mesra alam.
Karbon Berliang untuk Karbon Silikon
Karbon berliang untuk silikon-karbon adalah bahan utama huluan elektrod negatif silikon-karbon, ia memainkan peranan penting dalam meningkatkan prestasi bateri.
Ciri-ciri utama karbon berliang untuk karbon silikon termasuk:
Karbon berliang mempunyai struktur liang yang baik dan luas permukaan yang besar. Ini boleh menyediakan struktur yang sesuai untuk pemendapan nano-silikon. Ia juga membenarkan ruang untuk silikon berkembang semasa pengecasan. Ini meningkatkan prestasi bateri litium-ion. Jumlah pori yang besar bermakna lebih banyak tapak yang aktif. Ini meningkatkan kapasiti penyimpanan tenaga bateri. Isipadu liang yang berlebihan akan mengurangkan kekuatan. Jadi, ia mesti dikawal dalam julat yang munasabah.
Kekonduksian: bahan karbon berliang mempunyai kekonduksian yang tinggi, yang penting untuk pengecasan pantas dan nyahcas bateri. Kekonduksian yang tinggi boleh mengurangkan rintangan dalaman bateri dan meningkatkan kecekapan penukaran tenaga secara keseluruhan.
Kandungan kekotoran dan kekuatan rangka karbon: bahan karbon berliang berkualiti tinggi mempunyai kandungan kekotoran yang rendah dan kekuatan rangka karbon yang tinggi, yang meningkatkan kestabilan dan memanjangkan hayat perkhidmatan bateri semasa kitar semula.
Saiz Zarah pengedaran dan ketumpatan pemadatan: taburan saiz zarah yang sesuai dan ketumpatan pemadatan tinggi menjadikan bahan karbon berliang mudah dikendalikan semasa pembuatan bateri dan boleh meningkatkan ketumpatan tenaga bateri.
Perbezaan antara karbon kapasitor dan karbon berliang yang digunakan dalam dan karbon silikon
Karbon kapasitor dan karbon berliang yang digunakan untuk menghasilkan karbon silikon adalah berbeza dari segi sifat dan penggunaan, yang menjadikan karbon kapasitor tidak sesuai untuk digunakan secara langsung dalam pengeluaran bahan elektrod negatif karbon silikon. Berikut adalah beberapa perbezaan dan sebab utama:
Karbon kapasitor mempunyai struktur mikroporous yang sangat maju. Ini menjadikannya bahan elektrod yang hebat untuk supercapacitors. Liang mikro menyediakan kawasan permukaan yang besar untuk menyerap ion dalam elektrolit dan menyimpan cas. Walau bagaimanapun, elektrod negatif silikon-karbon memerlukan struktur liang yang lebih besar. Ia mesti menampung pengembangan zarah silikon. Ini menghentikan bahan daripada pecah atau jatuh akibat perubahan volum semasa mengecas dan menyahcas.
Kekuatan dan kestabilan mekanikal: bahan elektrod negatif silikon-karbon akan mengalami perubahan isipadu yang ketara semasa proses cas dan nyahcas, yang memerlukan bahan asas mempunyai kekuatan dan kestabilan mekanikal yang mencukupi untuk menanggung tegasan ini. Walaupun karbon kapasitor mempunyai sifat elektrokimia yang baik, kekuatan mekanikal dan kestabilan strukturnya mungkin tidak mencukupi untuk menampung perubahan volum zarah silikon, sekali gus menjejaskan hayat kitaran bateri.
Kestabilan terma: dalam proses menghasilkan bahan elektrod negatif silikon-karbon, langkah rawatan suhu tinggi mungkin diperlukan. Kestabilan terma karbon kapasitor mungkin tidak mencukupi untuk menanggung keadaan suhu tinggi, yang boleh menyebabkan kerosakan struktur atau penurunan prestasi.
Kekonduksian: walaupun karbon kapasitor mempunyai kekonduksian tertentu, bahan elektrod negatif silikon-karbon biasanya memerlukan kekonduksian yang lebih tinggi untuk memastikan penghantaran elektron yang cepat. Oleh itu, agen konduktif tambahan atau bahan karbon yang dioptimumkan mungkin diperlukan untuk meningkatkan kekonduksian keseluruhan.
Penyerakan silikon: dalam bahan anod silikon-karbon, zarah silikon perlu tersebar sama rata dalam matriks karbon untuk memaksimumkan kapasiti tinggi silikon. Struktur liang karbon kapasitor mungkin tidak kondusif kepada penyebaran seragam dan penetapan zarah silikon.
Walaupun karbon kapasitor berfungsi dengan baik dalam supercapacitors, struktur liang khususnya, kekuatan mekanikal, kestabilan terma dan kekonduksian tidak sesuai untuk kegunaan langsung dalam penghasilan bahan elektrod ergatif silikon-karbon.
Bagaimana untuk mengubah
Transformasi karbon kapasitor kepada karbon berliang yang sesuai untuk bahan silikon-karbon memerlukan satu siri langkah pengubahsuaian untuk melaraskan struktur liang, sifat mekanikal dan kestabilan kimianya untuk memenuhi keperluan khusus bahan komposit silikon-karbon.
Berikut ialah beberapa strategi transformasi yang mungkin:
Laraskan saiz liang: karbon kapasitor biasanya mempunyai lebih banyak liang mikro. Untuk menyesuaikan diri dengan bahan karbon silikon, mungkin perlu untuk mengembangkan saiz liang. Ini akan mewujudkan struktur mesoporous atau makroporous. Kaedah kimia atau fizikal boleh mencapai ini. Contohnya, pengaktifan kimia (menggunakan KOH atau NaOH) atau pengaktifan fizikal (menggunakan wap air atau CO2) boleh melaraskan saiz liang. Ini meningkatkan bahagian mesopores dan makropori.
Meningkatkan sifat mekanikal. Karbon kapasitor mungkin tidak menahan perubahan isipadu zarah silikon semasa mengecas dan menyahcas.
Kekuatannya boleh dipertingkatkan dengan:
Mengubah suai prekursor pengkarbonan.
Mengawal suhu pengkarbonan.
Menambah agen penguat, seperti tiub nano karbon dan graphene.
Meningkatkan kestabilan haba: meningkatkan kestabilan terma karbon kapasitor dengan rawatan suhu tinggi atau doping dengan unsur lain (seperti nitrogen dan boron) untuk memastikan integriti struktur dikekalkan semasa pengeluaran dan penggunaan bahan komposit silikon-karbon.
Meningkatkan kekonduksian: kekonduksian karbon pemuat mungkin tidak mencukupi untuk memenuhi keperluan bahan komposit silikon-karbon. Kekonduksian boleh dipertingkatkan dengan mendopan bahan karbon dengan kekonduksian yang lebih baik (seperti graphene dan karbon hitam) atau salutan permukaan dengan lapisan konduktif.
Ubah suai permukaan: ubah suai permukaan karbon kapasitor, untuk meningkatkan keserasian dan lekatannya dengan zarah silikon. Sebagai contoh, kita boleh meningkatkan lekatan zarah silikon pada permukaan karbon. Kita boleh melakukan ini dengan mengoksidakan permukaan dan menggunakan agen gandingan silane. Proses transformasi mesti mengimbangi kos, kecekapan dan prestasi. Dalam amalan, eksperimen mungkin mencari kaedah dan syarat terbaik untuk pengubahsuaian. Selain itu, kita mesti menguji bahan yang diubah dengan teliti. Prestasi mereka dalam bahan elektrod negatif silikon-karbon mesti memenuhi keperluan.