Carbono capacitor e carbono poroso para carbono silício são dois materiais similares, ambos pertencentes ao carbono poroso, mas diferem em propriedades eletroquímicas, métodos de produção e campos de aplicação. As características desses dois materiais e as diferenças entre eles serão apresentadas abaixo.
Capacitor de Carbono
O carbono do capacitor é um carbono ativado poroso de alta área superficial. É amplamente utilizado como eletrodo em dispositivos de armazenamento de energia. A produção de carbono do capacitor geralmente envolve a carbonização de matérias-primas, como carvão e casca de coco. Em seguida, ele passa por um processo de ativação. O processo de ativação pode ser físico (usando vapor de água ou dióxido de carbono) ou químico (usando ácido, base ou sal). O carbono do capacitor tem três vantagens principais. É de baixo custo, tem uma grande área de superfície e uma rica estrutura de poros. Essas características lhe dão uma alta capacidade de armazenamento de carga como um material de eletrodo em supercapacitores.
As principais características do capacitor de carbono incluem:
Grande área de superfície específica: o capacitor de carbono tem uma área de superfície específica extremamente grande, o que lhe permite adsorver uma grande quantidade de solução eletrolítica, formando assim uma camada dupla na superfície do eletrodo, que é a chave para armazenar carga.
Estrutura de poros bem desenvolvida: O capacitor de carbono tem uma estrutura de poros microporosos e mesoporosos bem desenvolvida, o que favorece a umedecimento do eletrólito e o rápido movimento dos íons, melhorando assim o desempenho do capacitor.
Alta condutividade: a alta condutividade iônica do carbono do capacitor facilita o carregamento e descarregamento rápidos, o que é um fator importante para atingir alta densidade de potência dos supercapacitores.
Alta estabilidade química: em vários eletrólitos ácidos e alcalinos, o carbono do capacitor exibe alta estabilidade química, garantindo o desempenho estável do capacitor em diferentes ambientes.
Ecologicamente correto: o capacitor de carbono não contém metais pesados e não polui o meio ambiente. É um material de armazenamento de energia ecologicamente correto.
Carbono Poroso para Carbono Silício
O carbono poroso para silício-carbono é um material essencial a montante do eletrodo negativo de silício-carbono e desempenha um papel importante na melhoria do desempenho da bateria.
As principais características do carbono poroso para carbono silício incluem:
O carbono poroso tem uma boa estrutura de poros e uma grande área de superfície. Isso pode fornecer uma estrutura adequada para a deposição de nano-silício. Também permite espaço para o silício se expandir durante o carregamento. Isso melhora o desempenho das baterias de íons de lítio. Um grande volume de poros significa mais locais ativos. Isso aumenta a capacidade de armazenamento de energia da bateria. O volume excessivo de poros reduzirá a resistência. Portanto, deve ser controlado dentro de uma faixa razoável.
Condutividade: material de carbono poroso tem alta condutividade, o que é essencial para o rápido carregamento e descarregamento da bateria. Alta condutividade pode reduzir a resistência interna da bateria e melhorar a eficiência geral de conversão de energia.
Conteúdo de impurezas e resistência do esqueleto de carbono: material de carbono poroso de alta qualidade tem baixo teor de impurezas e alta resistência do esqueleto de carbono, o que melhora a estabilidade e prolonga a vida útil da bateria durante a reciclagem.
Tamanho da partícula distribuição e densidade de compactação: a distribuição adequada do tamanho de partículas e a alta densidade de compactação tornam o material de carbono poroso fácil de manusear durante a fabricação da bateria e podem melhorar a densidade de energia da bateria.
A diferença entre o carbono do capacitor e o carbono poroso usado em silício e carbono
O carbono do capacitor e o carbono poroso usados para produzir carbono silício são diferentes em propriedades e uso, o que torna o carbono do capacitor inadequado para aplicação direta na produção de material de eletrodo negativo de carbono silício. Aqui estão algumas diferenças e razões principais:
O carbono do capacitor tem uma estrutura microporosa muito desenvolvida. Isso o torna um ótimo material de eletrodo para supercapacitores. Os microporos fornecem uma grande área de superfície para adsorver íons no eletrólito e armazenar carga. No entanto, os eletrodos negativos de silício-carbono precisam de uma estrutura de poros maior. Ela deve acomodar a expansão das partículas de silício. Isso impede que o material se quebre ou caia devido a mudanças de volume durante a carga e descarga.
Resistência mecânica e estabilidade: o material do eletrodo negativo de silício-carbono passará por mudanças significativas de volume durante o processo de carga e descarga, o que requer que o material base tenha resistência mecânica e estabilidade suficientes para suportar esse estresse. Embora o carbono do capacitor tenha boas propriedades eletroquímicas, sua resistência mecânica e estabilidade estrutural podem não ser suficientes para lidar com as mudanças de volume das partículas de silício, afetando assim o ciclo de vida da bateria.
Estabilidade térmica: no processo de produção de material de eletrodo negativo de silício-carbono, etapas de tratamento de alta temperatura podem ser necessárias. A estabilidade térmica do carbono do capacitor pode não ser suficiente para suportar condições de alta temperatura, o que pode causar danos à estrutura ou diminuição do desempenho.
Condutividade: embora o capacitor de carbono tenha uma certa condutividade, o material de eletrodo negativo de silício-carbono geralmente requer maior condutividade para garantir a rápida transmissão de elétrons. Portanto, agentes condutores adicionais ou material de carbono otimizado podem ser necessários para melhorar a condutividade geral.
Dispersão de silício: no material de ânodo de silício-carbono, as partículas de silício precisam ser uniformemente dispersas na matriz de carbono para maximizar a alta capacidade do silício. A estrutura de poros do carbono do capacitor pode não ser propícia à dispersão e fixação uniformes das partículas de silício.
Embora o carbono do capacitor tenha um bom desempenho em supercapacitores, sua estrutura de poros específica, resistência mecânica, estabilidade térmica e condutividade não são adequadas para uso direto na produção de material de eletrodo ergativo de silício-carbono.
Como transformar
A transformação do carbono do capacitor em carbono poroso adequado para materiais de silício-carbono requer uma série de etapas de modificação para ajustar sua estrutura de poros, propriedades mecânicas e estabilidade química para atender aos requisitos específicos do material composto de silício-carbono.
Aqui estão algumas estratégias de transformação possíveis:
Ajuste o tamanho do poro: o carbono do capacitor geralmente tem mais microporos. Para se adaptar ao material de carbono de silício, pode ser necessário expandir o tamanho do poro. Isso criaria uma estrutura mesoporosa ou macroporosa. Métodos químicos ou físicos podem conseguir isso. Por exemplo, ativação química (usando KOH ou NaOH) ou ativação física (usando vapor de água ou CO2) pode ajustar o tamanho do poro. Isso aumenta a proporção de mesoporos e macroporos.
Melhore as propriedades mecânicas. O carbono do capacitor pode não suportar mudanças no volume de partículas de silício durante a carga e descarga.
Sua resistência pode ser melhorada por:
Modificando o precursor de carbonização.
Controlando a temperatura de carbonização.
Adicionar agentes de reforço, como nanotubos de carbono e grafeno.
Melhorar a estabilidade térmica: melhorar a estabilidade térmica do carbono do capacitor por meio de tratamento de alta temperatura ou dopagem com outros elementos (como nitrogênio e boro) para garantir que a integridade estrutural seja mantida durante a produção e aplicação do material composto de silício-carbono.
Melhorar a condutividade: a condutividade do carbono do capacitor pode não ser suficiente para atender ao requisito do material composto de silício-carbono. A condutividade pode ser melhorada dopando o material de carbono com melhor condutividade (como grafeno e negro de fumo) ou revestimento a superfície com uma camada condutora.
Modificar a superfície: modificar a superfície do carbono do capacitor, para melhorar sua compatibilidade e adesão com partículas de silício. Por exemplo, podemos melhorar a adesão de partículas de silício na superfície do carbono. Podemos fazer isso oxidando a superfície e usando um agente de acoplamento de silano. O processo de transformação deve equilibrar custo, eficiência e desempenho. Na prática, os experimentos podem encontrar o melhor método e condições para modificação. Além disso, devemos testar rigorosamente os materiais transformados. Seu desempenho em material de eletrodo negativo de silício-carbono deve atender aos requisitos.