Capacitor koolstof en poreuze koolstof voor silicium koolstof zijn twee vergelijkbare materialen, die beide behoren tot poreuze koolstof, maar ze verschillen in elektrochemische eigenschappen, productiemethoden en toepassingsgebieden. De kenmerken van deze twee materialen en de verschillen tussen hen worden hieronder geïntroduceerd.
Condensator Koolstof
Condensatorkoolstof is een poreuze, geactiveerde koolstof met een groot oppervlak. Het wordt veel gebruikt als elektrode in energieopslagapparaten. De productie van condensatorkoolstof omvat meestal het carboniseren van grondstoffen, zoals steenkool en kokosnootschalen. Vervolgens ondergaat het een activeringsproces. Het activeringsproces kan fysiek zijn (met behulp van waterdamp of koolstofdioxide) of chemisch (met behulp van zuur, base of zout). Condensatorkoolstof heeft drie belangrijke voordelen. Het is goedkoop, heeft een groot oppervlak en een rijke poriënstructuur. Deze eigenschappen geven het een hoge ladingopslagcapaciteit als elektrodemateriaal in supercondensatoren.
De belangrijkste kenmerken van koolstofcondensatoren zijn:
Groot specifiek oppervlak:condensatorkoolstof heeft een extreem groot specifiek oppervlak, waardoor het een grote hoeveelheid elektrolytoplossing kan adsorberen en zo een dubbele laag op het elektrodeoppervlak kan vormen, wat de sleutel is voor het opslaan van lading.
Goed ontwikkelde poriënstructuur: Koolstofcondensator heeft een goed ontwikkelde microporeuze en mesoporeuze poriënstructuur, die bevorderlijk is voor de bevochtiging van de elektrolyt en de snelle beweging van ionen, waardoor de prestaties van de condensator worden verbeterd.
Hoge geleidbaarheid: De hoge ionische geleidbaarheid van condensatorkoolstof vergemakkelijkt snel opladen en ontladen, wat een belangrijke factor is bij het bereiken van een hoge vermogensdichtheid van supercondensatoren.
Hoge chemische stabiliteit:In verschillende zure en alkalische elektrolyten vertoont condensatorkoolstof een hoge chemische stabiliteit, waardoor de condensator in verschillende omgevingen stabiele prestaties levert.
Milieuvriendelijk: condensator koolstof bevat geen zware metalen en zal het milieu niet vervuilen. Het is een milieuvriendelijk energieopslagmateriaal.
Poreuze koolstof voor siliciumkoolstof
Poreuze koolstof voor silicium-koolstof is een belangrijk materiaal stroomopwaarts van de negatieve silicium-koolstofelektrode en speelt een belangrijke rol bij het verbeteren van de batterijprestaties.
De belangrijkste kenmerken van poreuze koolstof voor siliciumkoolstof zijn:
Poreuze koolstof heeft een goede poriestructuur en een groot oppervlak. Dit kan een geschikte structuur bieden voor nanosiliciumafzetting. Het biedt ook ruimte voor silicium om uit te zetten tijdens het opladen. Dit verbetert de prestaties van lithium-ionbatterijen. Een groot porievolume betekent meer actieve plekken. Dit verhoogt de energieopslagcapaciteit van de batterij. Overmatig porievolume vermindert de sterkte. Het moet dus binnen een redelijk bereik worden gecontroleerd.
Geleidbaarheid: poreus koolstofmateriaal heeft een hoge geleidbaarheid, wat essentieel is voor het snel opladen en ontladen van de batterij. Hoge geleidbaarheid kan de interne weerstand van de batterij verminderen en de algehele energieomzettingsefficiëntie verbeteren.
Onzuiverheidsgehalte en sterkte van het koolstofskelet: hoogwaardig poreus koolstofmateriaal heeft een laag gehalte aan onzuiverheden en een hoge sterkte van het koolstofskelet, wat de stabiliteit verbetert en de levensduur van de batterij tijdens recycling verlengt.
Deeltjesgrootte distributie en verdichtingsdichtheid: een geschikte deeltjesgrootteverdeling en een hoge verdichtingsdichtheid zorgen ervoor dat het poreuze koolstofmateriaal gemakkelijk te hanteren is tijdens de productie van de batterij en kunnen de energiedichtheid van de batterij verbeteren.
Het verschil tussen condensatorkoolstof en poreuze koolstof gebruikt in en siliciumkoolstof
Condensatorkoolstof en poreuze koolstof die worden gebruikt om siliciumkoolstof te produceren, verschillen in eigenschappen en gebruik, waardoor condensatorkoolstof ongeschikt is voor directe toepassing bij de productie van negatief elektrodemateriaal van siliciumkoolstof. Hier zijn enkele belangrijke verschillen en redenen:
Condensatorkoolstof heeft een zeer ontwikkelde microporeuze structuur. Dit maakt het een geweldig elektrodemateriaal voor supercondensatoren. De microporiën bieden een groot oppervlak om ionen in de elektrolyt te adsorberen en lading op te slaan. Negatieve elektroden van silicium-koolstof hebben echter een grotere poriestructuur nodig. Het moet de uitzetting van siliciumdeeltjes kunnen opvangen. Dit voorkomt dat het materiaal breekt of eraf valt door volumeveranderingen tijdens het laden en ontladen.
Mechanische sterkte en stabiliteit: silicium-koolstof negatieve elektrodemateriaal zal aanzienlijke volumeveranderingen ondergaan tijdens het laad- en ontlaadproces, wat vereist dat het basismateriaal voldoende mechanische sterkte en stabiliteit heeft om deze spanning te dragen. Hoewel condensatorkoolstof goede elektrochemische eigenschappen heeft, zijn de mechanische sterkte en structurele stabiliteit mogelijk niet voldoende om de volumeveranderingen van siliciumdeeltjes aan te kunnen, wat de levensduur van de batterij beïnvloedt.
Thermische stabiliteit: in het proces van het produceren van silicium-koolstof negatief elektrodemateriaal, kunnen hoge temperatuurbehandelingsstappen vereist zijn. De thermische stabiliteit van condensatorkoolstof is mogelijk niet voldoende om hoge temperatuuromstandigheden te verdragen, wat schade aan de structuur of afname van de prestaties kan veroorzaken.
Geleidbaarheid: hoewel condensatorkoolstof een bepaalde geleidbaarheid heeft, vereist siliciumkoolstof negatief elektrodemateriaal doorgaans een hogere geleidbaarheid om snelle elektronentransmissie te garanderen. Daarom kunnen extra geleidende middelen of geoptimaliseerd koolstofmateriaal nodig zijn om de algehele geleidbaarheid te verbeteren.
Siliciumdispersie: in silicium-koolstof anodemateriaal moeten siliciumdeeltjes gelijkmatig worden verspreid in de koolstofmatrix om de hoge capaciteit van silicium te maximaliseren. De poriestructuur van condensatorkoolstof is mogelijk niet bevorderlijk voor de uniforme verspreiding en fixatie van siliciumdeeltjes.
Hoewel condensatorkoolstof goed presteert in supercondensatoren, zijn de specifieke poriënstructuur, mechanische sterkte, thermische stabiliteit en geleidbaarheid ervan niet geschikt voor direct gebruik bij de productie van silicium-koolstof ergatief elektrodemateriaal.
Hoe te transformeren
De transformatie van condensatorkoolstof naar poreuze koolstof die geschikt is voor silicium-koolstofmaterialen vereist een reeks modificatiestappen om de poriestructuur, mechanische eigenschappen en chemische stabiliteit aan te passen aan de specifieke vereisten van silicium-koolstofcomposietmateriaal.
Hier zijn enkele mogelijke transformatiestrategieën:
Pas de poriegrootte aan: condensatorkoolstof heeft doorgaans meer microporiën. Om zich aan te passen aan siliciumkoolstofmateriaal, kan het nodig zijn om de poriegrootte te vergroten. Dit zou een mesoporeuze of macroporeuze structuur creëren. Chemische of fysische methoden kunnen dit bereiken. Bijvoorbeeld, chemische activering (met behulp van KOH of NaOH) of fysische activering (met behulp van waterdamp of CO2) kan de poriegrootte aanpassen. Dit vergroot de verhouding van mesoporiën en macroporiën.
Verbeter mechanische eigenschappen. Koolstof van condensatoren is mogelijk niet bestand tegen veranderingen in het volume van siliciumdeeltjes tijdens het laden en ontladen.
De sterkte ervan kan worden verbeterd door:
Het modificeren van de carbonisatieprecursor.
Het regelen van de carbonisatietemperatuur.
Het toevoegen van versterkende middelen, zoals koolstofnanobuisjes en grafeen.
Verbeter de thermische stabiliteit: de thermische stabiliteit van condensatorkoolstof verbeteren door behandeling bij hoge temperaturen of dotering met andere elementen (zoals stikstof en boor) om ervoor te zorgen dat de structurele integriteit behouden blijft tijdens de productie en toepassing van silicium-koolstofcomposietmateriaal.
Verbeter de geleidbaarheid: de geleidbaarheid van condensatorkoolstof is mogelijk niet voldoende om te voldoen aan de vereisten van silicium-koolstofcomposietmateriaal. De geleidbaarheid kan worden verbeterd door koolstofmateriaal te doteren met een betere geleidbaarheid (zoals grafeen en carbon zwart) of bekleding het oppervlak met een geleidende laag.
Wijzig het oppervlak: wijzig het oppervlak van de condensatorkoolstof om de compatibiliteit en hechting met siliciumdeeltjes te verbeteren. We kunnen bijvoorbeeld de hechting van siliciumdeeltjes op het koolstofoppervlak verbeteren. We kunnen dit doen door het oppervlak te oxideren en een silaankoppelingsmiddel te gebruiken. Het transformatieproces moet kosten, efficiëntie en prestaties in evenwicht brengen. In de praktijk kunnen experimenten de beste methode en omstandigheden voor modificatie vinden. Ook moeten we de getransformeerde materialen rigoureus testen. Hun prestaties in silicium-koolstof negatief elektrodemateriaal moeten voldoen aan de vereisten.