การวิจัยและการประยุกต์ใช้ของวัสดุขั้วบวกที่ทำจากซิลิกอนที่ดัดแปลง

ด้วยวิวัฒนาการของรถยนต์ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจึงต้องการความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น ขั้วบวกกราไฟต์แบบดั้งเดิมมีความจุทางทฤษฎีต่ำที่ 372mAh/g ซึ่งจำกัดการปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงาน ซิลิกอนมีอยู่มากมาย เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และมีความจุทางทฤษฎีสูงถึง 4200mAh/g ถือเป็นวัสดุขั้วบวกแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนรุ่นต่อไปที่มีแนวโน้มดี อย่างไรก็ตาม การขยายปริมาตรอย่างรุนแรงและประสิทธิภาพคูลอมบิกเริ่มต้นต่ำเป็นอุปสรรคต่อการใช้งานจริง วัสดุขั้วบวกที่ใช้ซิลิกอนดัดแปลงสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ

การวิเคราะห์ความล้มเหลวของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบแอโนดที่ใช้ซิลิกอน

ซิลิคอนมีอยู่มากมายในเปลือกโลกและมีความจุทางทฤษฎีสูงถึง 4,200 mAh/g ในฐานะขั้วบวกของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน แม้จะมีข้อดี แต่ระหว่างการลิเธียมไอออนก็อาจเกิดปัญหา เช่น ปริมาตรขยายตัวและสภาพนำไฟฟ้าลดลง วัสดุที่ใช้งานอาจแตกหรือเป็นผง และวัสดุอิเล็กโทรดอาจแยกออกจากตัวเก็บกระแสไฟฟ้า

เมื่อวัสดุที่ทำจากซิลิกอนถูกใช้เป็นขั้วบวกของแบตเตอรี่ลิเธียม ซิลิกอนและลิเธียมจะเกิดปฏิกิริยาโลหะผสมระหว่างการชาร์จและการคายประจุ ในกระบวนการนี้ ปริมาตรของซิลิกอนจะผันผวน 100%–300% การเปลี่ยนแปลงของปริมาณซิลิกอนทำให้วัสดุของขั้วบวกแตกร้าว ส่งผลให้วัสดุที่บดเป็นผงจะหลุดออกจากตัวเก็บกระแสไฟฟ้า ทำให้โครงสร้างของขั้วบวกเสียหาย ในช่วงเวลาดังกล่าว ความจุของแบตเตอรี่จะเสื่อมเร็วกว่าแบตเตอรี่ทั่วไปมาก

ในระหว่างรอบการชาร์จ-ปล่อย ความผันผวนของปริมาตรขนาดใหญ่ของซิลิกอนทำให้ฟิล์มอินเทอร์เฟซอิเล็กโทรไลต์ของแข็ง (SEI) ไม่สามารถคงสภาพได้ เมื่อฟิล์ม SEI แตกร้าว ชั้น SEI ใหม่จะก่อตัวขึ้น ส่งผลให้ใช้ลิเธียมไป การก่อตัวของ SEI อย่างต่อเนื่องทำให้สูญเสียลิเธียมจำนวนมาก เพิ่มความต้านทานภายในและลดความจุอย่างรวดเร็ว

เนื่องจากความเข้มข้นของตัวพาภายในของซิลิกอนต่ำ ประสิทธิภาพการปล่อยและวงจรที่มีประสิทธิภาพและสภาพนำไฟฟ้าของแบตเตอรี่จึงต่ำ ซึ่งทำให้การใช้งานในตลาดมีจำกัด

วัสดุขั้วบวกที่ทำจากซิลิกอนที่ดัดแปลง

การปรับเปลี่ยนพื้นผิว เทคนิคการเปลี่ยนแปลง เคมี องค์ประกอบหรือโครงสร้างของพื้นผิววัสดุโดยใช้วิธีทางเคมีหรือฟิสิกส์ ในขณะที่ยังคงคุณสมบัติตามธรรมชาติและให้คุณลักษณะใหม่ของพื้นผิว
ปัจจุบันเทคนิคของวัสดุแอโนดที่ใช้ซิลิกอนดัดแปลงส่วนใหญ่จะรวมถึงพื้นผิว การเคลือบ, การทำงานบนพื้นผิว และฟิล์ม SEI เทียม ซึ่งทั้งหมดนี้ช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าของแอโนดที่ใช้ซิลิกอนได้อย่างมีประสิทธิภาพ

การเคลือบผิว

กลไกหลักของการเคลือบพื้นผิวซิลิกอนคือการสร้างชั้นป้องกันหนึ่งชั้นหรือมากกว่านั้นบนพื้นผิวซิลิกอน ชั้นเหล่านี้ได้รับการเตรียมโดยใช้วิธีทางกายภาพหรือเคมีเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าของขั้วบวกซิลิกอน โดยทั่วไป ชั้นป้องกันจะมีหน้าที่ดังต่อไปนี้

• ทำให้โครงสร้างขั้วบวกซิลิกอนมีเสถียรภาพและยับยั้งการขยายตัวของปริมาตรเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการปั่นจักรยาน
• ทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันเพื่อลดการสัมผัสโดยตรงระหว่างซิลิกอนและอิเล็กโทรไลต์ ยับยั้งปฏิกิริยาข้างเคียง และลดการใช้ Li+ ซึ่งช่วยปรับปรุง ICE
• ชั้นป้องกันพื้นผิวมีคุณสมบัติในการส่งผ่านไอออนและอิเล็กตรอน ทำให้สภาพนำไฟฟ้าของพื้นผิวซิลิกอนดีขึ้น

การเคลือบพื้นผิวซิลิกอนถือเป็นวิธีหลักวิธีหนึ่งสำหรับการใช้งานแอโนดซิลิกอน-คาร์บอนในเชิงพาณิชย์ เทคนิคทั่วไปในการเตรียมสารตั้งต้นสำหรับการเคลือบพื้นผิวซิลิกอน ได้แก่ วิธีทางเคมีแบบเปียก การบดด้วยลูกกลิ้งเชิงกล การพ่นแห้ง การสะสม และวิธีการอื่นๆ ที่คล้ายคลึงกัน จากนั้นจึงทำการอบด้วยความร้อนหรือสังเคราะห์โครงสร้างการเคลือบโดยตรง

ข้อได้เปรียบหลักคือวิธีการเคลือบมีความหลากหลายและสามารถผลิตจำนวนมากได้ง่าย
ชั้นเคลือบจะช่วยระงับการขยายตัวของปริมาตรในระหว่างกระบวนการชาร์จ-ปล่อยประจุได้อย่างมีประสิทธิภาพ ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการทำงานของวงจร

การทำงานของพื้นผิว

การทำให้พื้นผิวของวัสดุผงมีฟังก์ชันเป็นวิธีการเตรียมวัสดุที่มีคุณสมบัติเฉพาะ ซึ่งเกี่ยวข้องกับการปรับเปลี่ยนพื้นผิวของวัสดุพื้นฐานด้วยโมเลกุลที่มีฟังก์ชันเพื่อให้ได้ความสม่ำเสมอหรือการแยกเฟส แนวทางนี้ใช้ประโยชน์จากข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพของทั้งสองระบบ โครงสร้างและฟังก์ชันสามารถควบคุมได้อย่างแม่นยำผ่านวิธีการเฉพาะ ซึ่งมอบคุณสมบัติที่แตกต่างกันให้กับวัสดุหลัก

ปัจจุบัน การบำบัดด้วยฟังก์ชันพื้นผิวช่วยแก้ไขปัญหาต่างๆ เช่น การขยายตัวของปริมาตรของขั้วบวกซิลิคอน สภาพนำไฟฟ้าต่ำ และค่า ICE ต่ำ กลไกหลักคือการบำบัดพื้นผิวซิลิคอนเบื้องต้น ตามด้วยการปลูกถ่ายกลุ่มฟังก์ชันในจุด ฟังก์ชันพื้นผิวใช้เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าของขั้วบวกซิลิคอน การบำบัดด้วยฟังก์ชันพื้นผิวมักใช้ในการวิจัยการดัดแปลงพื้นผิวซิลิคอนที่มีโครงสร้างนาโน
บทบาทหลักคือการปรับปรุงปฏิสัมพันธ์ระหว่างซิลิกอนที่ดัดแปลงและอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งจะส่งเสริมการสลายตัวของอิเล็กโทรไลต์เพื่อสร้างฟิล์ม SEI ที่เสถียร ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าของขั้วบวกซิลิกอน

ข้อดีหลักคือวิธีการปรับเปลี่ยนนั้นง่าย ข้อเสียคือขอบเขตการใช้งานจำกัดอยู่ที่ซิลิกอนขนาดนาโนเท่านั้น

ฟิล์ม SEI เทียม

ในระหว่างการใส่ลิเธียมครั้งแรก พื้นผิวซิลิกอนจะทำปฏิกิริยากับอิเล็กโทรไลต์อย่างไม่สามารถย้อนกลับได้ ทำให้เกิดฟิล์มที่เรียกว่าฟิล์ม SEI ฟิล์ม SEI มีบทบาทสำคัญในการป้องกันปฏิกิริยาที่ไม่สามารถย้อนกลับได้เพิ่มเติม ช่วยให้มั่นใจได้ว่าอิเล็กโทรดจะกลับคืนสู่สภาพเดิมได้ อย่างไรก็ตาม การสร้างฟิล์ม SEI จะใช้ Li+ และอิเล็กโทรไลต์บางส่วน ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพเริ่มต้น หากฟิล์ม SEI หนาเกินไป อาจขัดขวางการขนส่ง Li+ และส่งผลกระทบต่อกิจกรรมทางเคมีไฟฟ้าของขั้วบวก ฟิล์ม SEI ที่เสถียรมีความจำเป็นสำหรับการสร้างขั้วบวกที่ใช้ซิลิกอนประสิทธิภาพสูง วิธีการสร้างฟิล์ม "SEI เทียม" (ASEI) จะสร้างโครงสร้างพื้นผิวพิเศษบนซิลิกอน ซึ่งจะช่วยลดปฏิกิริยาข้างเคียงและยับยั้งการย่อยสลายของอิเล็กโทรไลต์ ส่งผลให้ฟิล์ม SEI มีเสถียรภาพมากขึ้นและมีค่า ICE สูงขึ้น

ข้อดีของ SEI ได้แก่ วิธีการที่หลากหลายและโมเดลชั้นเมมเบรนที่หลากหลาย อย่างไรก็ตาม ข้อเสียคือ การควบคุมการก่อตัวของฟิล์ม SEI ที่สม่ำเสมอทำได้ยาก และขาดความสามารถในการปรับขนาดสำหรับการใช้งานการผลิต

การประยุกต์ใช้ของวัสดุแอโนดที่ทำจากซิลิกอน

ขั้วบวกที่ทำจากซิลิกอนถือเป็นวัสดุขั้วบวกรุ่นใหม่ที่มีแนวโน้มดีที่สุดสำหรับการผลิตในอุตสาหกรรม โดยได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรมพลังงานใหม่ การศึกษาวิจัยแสดงให้เห็นว่าการใช้ขั้วบวกที่ทำจากซิลิกอนสามารถเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานได้ 20% เป็น 40% เมื่อเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่ประเภทเดียวกันที่มีอยู่ในปัจจุบัน

จากมุมมองของเส้นทางกระบวนการ แอโนดที่ใช้ซิลิกอนจะแบ่งออกเป็นเทคโนโลยีแอโนดซิลิกอน-คาร์บอนและซิลิกอน-ออกซิเจน ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การประยุกต์ใช้แอโนดซิลิกอน-คาร์บอนมีการเติบโตอย่างรวดเร็ว
ในปี 2017 Tesla ได้นำแอโนดซิลิคอน-คาร์บอนมาใช้ในการผลิตจำนวนมากของรถยนต์ไฟฟ้ารุ่น 3 ซึ่งทำให้ระยะทางเพิ่มขึ้น 20% ซึ่งแสดงให้เห็นถึงผลกระทบที่สำคัญของแอโนดซิลิคอน-คาร์บอนต่อการปรับปรุงประสิทธิภาพของแบตเตอรี่และได้รับความสนใจอย่างมาก ในเดือนมิถุนายน 2022 CATL เปิดตัวแบตเตอรี่ Qilin โดยใช้วัสดุซิลิคอน-คาร์บอนที่มีความหนาแน่นของพลังงาน 255 วัตต์ชั่วโมง/กก. ในเดือนมิถุนายน 2023 Tesla ประกาศว่าการผลิตแบตเตอรี่ซิลิคอน-คาร์บอน 4680 โดยรวมทะลุ 10 ล้านหน่วย ซึ่งถือเป็นขั้นตอนการผลิตจำนวนมากอย่างเป็นทางการของแบตเตอรี่ แบตเตอรี่ 4680.

บทสรุป

จากกระแสของรถยนต์พลังงานใหม่และเศรษฐกิจในพื้นที่ต่ำ ทำให้ขั้วบวกที่ทำจากซิลิกอนได้รับความสนใจในฐานะวัสดุขั้วบวกชนิดใหม่ที่นิยมใช้สำหรับแบตเตอรี่โซลิดสเตต จากการวิจัยในปัจจุบัน พบว่าวิธีการปรับเปลี่ยนพื้นผิวเพียงวิธีเดียวไม่เพียงพอที่จะแก้ไขปัญหาที่เกิดจากการขยายตัวของปริมาตรขั้วบวกของซิลิกอนได้อย่างครอบคลุม นอกจากนี้ วิธีการปรับเปลี่ยนบางวิธียังเกี่ยวข้องกับกระบวนการที่ซับซ้อนและต้นทุนที่สูง ทำให้การประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมขนาดใหญ่เป็นเรื่องท้าทาย
ดังนั้นทิศทางการพัฒนาในอนาคตอาจมุ่งเน้นไปที่การเพิ่มประสิทธิภาพเชิงการทำงานร่วมกันของวิธีการปรับเปลี่ยนหลากหลายวิธี
ผ่านการใช้งานที่ครอบคลุม เช่น การปรับเปลี่ยนพื้นผิว การควบคุมการขยายปริมาตรของขั้วบวกซิลิกอนอย่างมีประสิทธิภาพ และปัญหาที่เกี่ยวข้อง สามารถทำได้

ผงมหากาพย์

ผงมหากาพย์ประสบการณ์การทำงานในอุตสาหกรรมผงละเอียดมากว่า 20 ปี ส่งเสริมการพัฒนาผงละเอียดมากในอนาคตอย่างแข็งขัน โดยเน้นที่กระบวนการบด การบด การจำแนก และการปรับเปลี่ยนผงละเอียดมาก ติดต่อเราเพื่อขอคำปรึกษาฟรีและโซลูชันที่ปรับแต่งได้! ทีมผู้เชี่ยวชาญของเราทุ่มเทเพื่อจัดหาผลิตภัณฑ์และบริการคุณภาพสูงเพื่อเพิ่มมูลค่าให้กับการแปรรูปผงของคุณ Epic Powder—ผู้เชี่ยวชาญด้านการแปรรูปผงที่คุณวางใจได้!