Met de evolutie van EV's en elektronica vereisen lithium-ionbatterijen een hogere energiedichtheid. Traditionele grafietanoden hebben een lage theoretische capaciteit van 372 mAh/g, wat de verbetering van de energiedichtheid beperkt. Silicium is overvloedig aanwezig, milieuvriendelijk en heeft een hoge theoretische capaciteit van 4200 mAh/g. Het wordt beschouwd als een veelbelovend anodemateriaal voor lithium-ionbatterijen van de volgende generatie. Ernstige volume-expansie en een lage initiële Coulombische efficiëntie belemmeren echter de praktische toepassing ervan. Gemodificeerde anodematerialen op basis van silicium kunnen hun elektrochemische prestaties effectief verbeteren.
Analyse van het falen van lithium-ionbatterijen met siliciumanode
Silicium is overvloedig aanwezig in de aardkorst en heeft een hoge theoretische capaciteit van 4200mAh/g als lithium-ionbatterijanode. Ondanks de voordelen ontstaan er problemen tijdens de lithiëring, zoals volume-expansie en verminderde geleidbaarheid. Het actieve materiaal kan breken of verpulveren en het elektrodemateriaal kan loskomen van de stroomcollector.
Wanneer siliciumgebaseerde materialen worden gebruikt als lithiumbatterijanodes, ondergaan silicium en lithium een legeringsreactie tijdens het laden en ontladen. In dit proces fluctueert het siliciumvolume met 100%–300%. Veranderingen in siliciumgehalte veroorzaken scheuren in het anodemateriaal, wat leidt tot verpulvering. Verpulverd materiaal komt los van de stroomcollector, waardoor de anodestructuur wordt beschadigd. Gedurende deze periode is de capaciteitsdegradatie van de batterij veel sneller dan bij conventionele batterijen.
Tijdens laad-ontlaadcycli verhinderen de grote volumefluctuaties van silicium dat de vaste elektrolytinterface (SEI)-film intact blijft. Wanneer de SEI-film scheurt, vormen zich nieuwe SEI-lagen, waardoor lithium wordt verbruikt. Continue SEI-vorming leidt tot aanzienlijk lithiumverlies, waardoor de interne weerstand toeneemt en de capaciteit snel afneemt.
Vanwege de lage intrinsieke dragerconcentratie van silicium zijn de effectieve release- en cyclusefficiëntie en geleidbaarheid van de batterij slecht. Dit beperkt de toepassing ervan op de markt.
Gemodificeerde silicium-gebaseerde anodematerialen
Oppervlaktemodificatie technieken veranderen de chemisch samenstelling of structuur van het oppervlak van een materiaal met behulp van chemische of fysische methoden, waarbij de inherente eigenschappen behouden blijven en er nieuwe oppervlakte-eigenschappen aan worden gegeven.
Momenteel omvatten de technieken voor gemodificeerde siliciumgebaseerde anodematerialen voornamelijk oppervlakte- bekleding, oppervlaktefunctionalisering en kunstmatige SEI-films, die allemaal de elektrochemische prestaties van op silicium gebaseerde anodes effectief verbeteren.
Oppervlaktecoating
Het belangrijkste mechanisme van siliciumoppervlaktecoating is het creëren van een of meer beschermende lagen op het siliciumoppervlak. Deze lagen worden bereid met behulp van fysieke of chemische methoden om de elektrochemische prestaties van de siliciumanode te verbeteren. Meestal heeft de beschermende laag de volgende functies.
- Stabiliseert de siliciumanodestructuur en onderdrukt volume-expansie om de cyclusprestaties te verbeteren.
- Dienen als barrière om direct contact tussen silicium en de elektrolyt te verminderen, nevenreacties te remmen en het Li+-verbruik te verminderen, waardoor ICE wordt verbeterd.
- De oppervlaktebeschermende laag heeft de eigenschap ionen en elektronen door te laten, waardoor de geleidbaarheid van het siliciumsubstraat wordt verbeterd.
Silicium oppervlaktecoating wordt beschouwd als een van de belangrijkste methoden voor commerciële silicium-koolstof anodetoepassingen. Veelvoorkomende technieken voor het bereiden van silicium oppervlaktecoating precursors omvatten natte chemische methoden, mechanische kogelmolen, sproeidrogen, depositie en andere soortgelijke methoden. Deze worden gevolgd door warmtebehandeling of directe synthese van de coatingstructuur.
De belangrijkste voordelen zijn dat de coatingmethoden divers zijn en dat ze gemakkelijk in grote hoeveelheden geproduceerd kunnen worden.
De coatinglaag onderdrukt effectief de volume-expansie tijdens het laad-/ontlaadproces, waardoor de cyclusprestaties worden verbeterd.
Oppervlaktefunctionalisatie
Oppervlaktefunctionalisatie van poedermaterialen is een methode voor het bereiden van materialen met specifieke eigenschappen. Het omvat het modificeren van het oppervlak van het substraat met functionele moleculen om homogeniteit of fasescheiding te bereiken. Deze aanpak benut de prestatievoordelen van beide systemen. De structuur en functie kunnen nauwkeurig worden gecontroleerd door middel van specifieke methoden, waardoor verschillende eigenschappen aan het hoofdmateriaal worden gegeven.
Momenteel pakken oppervlaktefunctionalisatiebehandelingen problemen aan zoals volume-uitbreiding van siliciumanoden, slechte geleidbaarheid en lage ICE. Het belangrijkste mechanisme is het voorbehandelen van het siliciumoppervlak, gevolgd door in-situ enten van functionele groepen. Oppervlaktefunctionele groepen worden gebruikt om de elektrochemische prestaties van siliciumanodes te verbeteren. Oppervlaktefunctionalisatie wordt vaak toegepast in nanogestructureerd siliciumoppervlakmodificatieonderzoek.
De primaire rol is om de interactie tussen gemodificeerd silicium en de elektrolyt te verbeteren. Dit bevordert de ontleding van elektrolyt om een stabiele SEI-film te vormen, wat de elektrochemische prestaties van de siliciumanode verbetert.
Het belangrijkste voordeel is dat de modificatiemethode eenvoudig is. Het nadeel is dat het toepassingsbereik beperkt is tot nanoschaal silicium.
Kunstmatige SEI-film
Tijdens de eerste lithium-insertie reageert het siliciumoppervlak onomkeerbaar met de elektrolyt, waarbij een film wordt gevormd die de SEI-film wordt genoemd. De SEI-film speelt een belangrijke rol door verdere onomkeerbare reacties te voorkomen en de reversibiliteit van de elektrode te garanderen. De vorming van de SEI-film verbruikt echter wat Li+ en elektrolyt, wat de initiële efficiëntie beïnvloedt. Als de SEI-film te dik is, kan deze het Li+-transport blokkeren en de elektrochemische activiteit van de anode beïnvloeden. Een stabiele SEI-film is essentieel voor het bereiken van hoogwaardige silicium-gebaseerde anodes. De methode voor het bouwen van een "kunstmatige SEI" (ASEI)-film vormt speciale oppervlaktestructuren op silicium. Dit vermindert nevenreacties en remt elektrolytafbraak, wat leidt tot een stabielere SEI-film en hogere ICE.
De voordelen omvatten diverse methoden en rijke membraanlaagmodellen. De nadelen zijn echter de moeilijkheid om uniforme SEI-filmvorming te controleren en het gebrek aan schaalbaarheid voor productietoepassingen.
Toepassingen van op silicium gebaseerde anodematerialen
Op silicium gebaseerde anodes worden beschouwd als een van de meest veelbelovende anodematerialen van de volgende generatie voor industrialisatie, en krijgen brede consensus in de nieuwe energiesector. Studies tonen aan dat het gebruik van op silicium gebaseerde anodes de energiedichtheid kan verhogen met 20% tot 40% vergeleken met vergelijkbare batterijen die vandaag de dag beschikbaar zijn.
Vanuit een procesrouteperspectief worden silicium-gebaseerde anodes onderverdeeld in silicium-koolstof- en silicium-zuurstofanodetechnologieën. De laatste jaren is de toepassing van silicium-koolstofanodes versneld.
In 2017 paste Tesla silicium-koolstofanodes toe in de massaproductie van het elektrische voertuig Model 3, waardoor het bereik met 20% werd vergroot. Dit toonde de aanzienlijke impact van silicium-koolstofanodes op het verbeteren van de batterijprestaties en kreeg veel aandacht. In juni 2022 bracht CATL de Qilin-batterij uit, met silicium-koolstofmaterialen met een energiedichtheid van 255 Wh/kg. In juni 2023 kondigde Tesla aan dat de cumulatieve productie van zijn silicium-koolstof 4680-batterij de 10 miljoen eenheden overschreed, waarmee de officiële massaproductiefase van de 4680 batterij.
Conclusie
Aangedreven door trends in nieuwe energievoertuigen en de economie op lage hoogte, krijgen siliciumgebaseerde anodes steeds meer aandacht als het favoriete nieuwe anodemateriaal voor solid-state batterijen. Uit huidig onderzoek blijkt dat één enkele oppervlaktemodificatiemethode niet voldoende is om de problemen die worden veroorzaakt door de volume-uitbreiding van siliciumanoden volledig aan te pakken. Bovendien omvatten sommige modificatiemethoden complexe processen en hoge kosten, waardoor grootschalige industriële toepassing een uitdaging is.
Daarom kan de toekomstige ontwikkelingsrichting zich richten op synergetische optimalisatie van meerdere modificatiemethoden.
Door uitgebreide toepassingen zoals oppervlaktemodificatie kan een effectieve beheersing van de volume-uitbreiding van siliciumanoden en gerelateerde problemen worden bereikt.
EPIC POEDER
Episch poeder, 20+ jaar werkervaring in de ultrafijne poederindustrie. Actief promoten van de toekomstige ontwikkeling van ultrafijn poeder, met de focus op het breken, malen, classificeren en modificatieproces van ultrafijn poeder. Neem contact met ons op voor een gratis consult en op maat gemaakte oplossingen! Ons deskundige team is toegewijd aan het leveren van hoogwaardige producten en diensten om de waarde van uw poederverwerking te maximaliseren. Epic Powder—Uw vertrouwde poederverwerkingsexpert!