Elektrikli araçların ve elektroniklerin evrimiyle birlikte, lityum iyon piller daha yüksek enerji yoğunluğuna ihtiyaç duyar. Geleneksel grafit anotlar, enerji yoğunluğu iyileştirmesini sınırlayan 372mAh/g'lık düşük bir teorik kapasiteye sahiptir. Silikon bol miktarda bulunur, çevre dostudur ve 4200mAh/g'lık yüksek bir teorik kapasiteye sahiptir. Gelecek vaat eden bir sonraki nesil lityum iyon pil anot malzemesi olarak kabul edilir. Ancak, ciddi hacim genişlemesi ve düşük ilk Coulombic verimliliği, pratik uygulamasını engeller. Değiştirilmiş Silikon Bazlı Anot Malzemeleri, elektrokimyasal performanslarını etkili bir şekilde iyileştirebilir.
Silikon Tabanlı Anot Lityum-İyon Pillerin Arıza Analizi
Silisyum, Dünya kabuğunda bol miktarda bulunur ve lityum iyon pil anodu olarak 4200mAh/g'lık yüksek bir teorik kapasiteye sahiptir. Avantajlarına rağmen, lityumlama sırasında hacim genişlemesi ve iletkenliğin azalması gibi sorunlar ortaya çıkar. Aktif malzeme kırılabilir veya toz haline gelebilir ve elektrot malzemesi akım toplayıcıdan ayrılabilir.
Silisyum bazlı malzemeler lityum pil anotları olarak kullanıldığında, silisyum ve lityum şarj ve deşarj sırasında bir alaşım reaksiyonuna girer. Bu işlemde, silisyum hacmi 100%–300% arasında dalgalanır. Silisyum içeriğindeki değişiklikler anot malzemesinde çatlaklara neden olur ve bu da tozlaşmaya yol açar. Toz haline gelen malzeme akım toplayıcısından ayrılır ve anot yapısına zarar verir. Bu süre zarfında, pil kapasitesinin bozulması geleneksel pillere göre çok daha hızlıdır.
Şarj-deşarj döngüleri sırasında, silikonun büyük hacim dalgalanmaları katı elektrolit arayüzü (SEI) filminin sağlam kalmasını engeller. SEI filmi çatladığında, yeni SEI katmanları oluşur ve böylece lityum tüketilir. Sürekli SEI oluşumu önemli lityum kaybına yol açar, iç direnci artırır ve kapasiteyi hızla azaltır.
Silisyumun düşük içsel taşıyıcı konsantrasyonu nedeniyle, pilin etkili serbest bırakma ve çevrim verimliliği ve iletkenliği zayıftır. Bu, pazardaki uygulamasını sınırlar.
Değiştirilmiş Silikon Bazlı Anot Malzemeleri
Yüzey modifikasyonu teknikler değiştirir kimyasal Bir malzemenin yüzeyinin yapısını veya bileşimini kimyasal veya fiziksel yöntemlerle, malzemenin doğal özelliklerini koruyarak ve ona yeni yüzey özellikleri kazandırarak değiştirme.
Şu anda, Değiştirilmiş Silikon Tabanlı Anot Malzemeleri teknikleri esas olarak yüzey içerir kaplama, yüzey fonksiyonelleştirme ve yapay SEI filmleri, bunların hepsi silikon bazlı anotların elektrokimyasal performansını etkili bir şekilde iyileştirir.
Yüzey Kaplama
Silisyum yüzey kaplamanın ana mekanizması, silisyum yüzeyinde bir veya daha fazla koruyucu katman oluşturmaktır. Bu katmanlar, silisyum anodun elektrokimyasal performansını iyileştirmek için fiziksel veya kimyasal yöntemler kullanılarak hazırlanır. Tipik olarak, koruyucu katmanın aşağıdaki işlevleri vardır.
- Silisyum anot yapısını stabilize edin ve hacim genişlemesini bastırarak çevrim performansını iyileştirin.
- Silisyum ile elektrolit arasındaki doğrudan teması azaltan, yan reaksiyonları engelleyen ve Li+ tüketimini azaltan bir bariyer görevi görür, böylece ICE'yi iyileştirir.
- Yüzey koruyucu tabaka iyon ve elektronları geçirme özelliğine sahip olup, silisyum alt tabakanın iletkenliğini artırmaktadır.
Silisyum yüzey kaplaması, ticari silisyum-karbon anot uygulamaları için ana yöntemlerden biri olarak kabul edilir. Silisyum yüzey kaplama öncüllerini hazırlamak için yaygın teknikler arasında ıslak kimyasal yöntemler, mekanik bilyalı öğütme, püskürtmeli kurutma, biriktirme ve diğer benzer yöntemler bulunur. Bunları, kaplama yapısının ısıl işlemi veya doğrudan sentezi izler.
Başlıca avantajları kaplama yöntemlerinin çeşitli olması ve seri üretiminin kolay olmasıdır.
Kaplama tabakası, şarj-deşarj işlemi sırasında hacim genişlemesini etkili bir şekilde bastırarak çevrim performansını artırır.
Yüzey Fonksiyonelleştirme
Toz malzemelerin yüzey fonksiyonelleştirilmesi, belirli özelliklere sahip malzemeler hazırlamak için bir yöntemdir. Homojenlik veya faz ayrımı elde etmek için substratın yüzeyini işlevsel moleküllerle değiştirmeyi içerir. Bu yaklaşım, her iki sistemin performans avantajlarından yararlanır. Yapı ve işlev, ana malzemeye farklı özellikler kazandıran belirli yöntemlerle hassas bir şekilde kontrol edilebilir.
Günümüzde, yüzey fonksiyonelleştirme işlemleri silikon anot hacmi genişlemesi, zayıf iletkenlik ve düşük ICE gibi sorunları ele almaktadır. Ana mekanizma silikon yüzeyinin ön işlenmesi ve ardından fonksiyonel grupların yerinde aşılanmasıdır. Yüzey fonksiyonel grupları silikon anotların elektrokimyasal performansını iyileştirmek için kullanılır. Yüzey fonksiyonelleştirme genellikle nanoyapılı silikon yüzey modifikasyonu araştırmalarında uygulanır.
Birincil rolü, modifiye edilmiş silikon ile elektrolit arasındaki etkileşimi artırmaktır. Bu, kararlı bir SEI filmi oluşturmak için elektrolitin ayrışmasını teşvik ederek silikon anot elektrokimyasal performansını iyileştirir.
Başlıca avantajı modifikasyon yönteminin basit olmasıdır. Dezavantajı ise uygulama aralığının nanoölçekli silikonla sınırlı olmasıdır.
Yapay SEI Filmi
İlk lityum yerleştirme sırasında, silikon yüzey elektrolit ile geri döndürülemez bir şekilde reaksiyona girerek SEI filmi adı verilen bir film oluşturur. SEI filmi, daha fazla geri döndürülemez reaksiyonu önleyerek ve elektrot geri döndürülebilirliğini sağlayarak önemli bir rol oynar. Ancak, SEI filminin oluşumu bir miktar Li+ ve elektrolit tüketerek ilk verimliliği etkiler. SEI filmi çok kalınsa, Li+ taşınmasını engelleyebilir ve anotun elektrokimyasal aktivitesini etkileyebilir. Yüksek performanslı silikon bazlı anotlar elde etmek için kararlı bir SEI filmi şarttır. "Yapay SEI" (ASEI) filmi oluşturma yöntemi, silikon üzerinde özel yüzey yapıları oluşturur. Bu, yan reaksiyonları azaltır ve elektrolit bozulmasını engelleyerek daha kararlı bir SEI filmi ve daha yüksek ICE ile sonuçlanır.
Avantajları arasında çeşitli yöntemler ve zengin membran katman modelleri yer alır. Ancak dezavantajları, tekdüze SEI film oluşumunu kontrol etmede zorluk ve üretim uygulamaları için ölçeklenebilirliğin olmamasıdır.
Silisyum Bazlı Anot Malzemelerinin Uygulamaları
Silikon bazlı anotlar, yeni enerji endüstrisinde yaygın bir fikir birliği kazanarak, endüstriyelleşme için en umut verici yeni nesil anot malzemelerinden biri olarak kabul edilmektedir. Çalışmalar, silikon bazlı anotların kullanılmasının, günümüzde mevcut benzer pillere kıyasla enerji yoğunluğunu 20% ila 40% artırabileceğini göstermektedir.
Bir proses rotası perspektifinden, silikon bazlı anotlar silikon-karbon ve silikon-oksijen anot teknolojileri olarak ayrılır. Son yıllarda, silikon-karbon anotların uygulanması hız kazanmıştır.
Tesla, 2017 yılında Model 3 elektrikli aracın seri üretiminde silikon-karbon anotları uygulayarak menzili 20% artırdı. Bu, silikon-karbon anotların pil performansını iyileştirmedeki önemli etkisini gösterdi ve önemli ilgi gördü. Haziran 2022'de CATL, 255 Wh/kg enerji yoğunluğuna sahip silikon-karbon malzemeler kullanan Qilin pilini piyasaya sürdü. Haziran 2023'te Tesla, silikon karbon 4680 pilinin kümülatif üretiminin 10 milyon üniteyi aştığını duyurdu ve bu, pilin resmi seri üretim aşamasını işaret etti. 4680 pil.
Çözüm
Yeni enerji araçlarındaki trendler ve düşük irtifa ekonomisi tarafından yönlendirilen silikon bazlı anotlar, katı hal pilleri için tercih edilen yeni anot malzemesi olarak dikkat çekiyor. Mevcut araştırmalara göre, tek bir yüzey modifikasyon yöntemi, silikon anot hacmi genişlemesinin neden olduğu sorunları kapsamlı bir şekilde ele almak için yeterli değildir. Ek olarak, bazı modifikasyon yöntemleri karmaşık süreçler ve yüksek maliyetler içerdiğinden büyük ölçekli endüstriyel uygulamaları zorlaştırır.
Bu nedenle, gelecekteki geliştirme yönü, çoklu modifikasyon yöntemlerinin sinerjik optimizasyonuna odaklanabilir.
Yüzey modifikasyonu gibi kapsamlı uygulamalar sayesinde, silikon anot hacim genişlemesinin ve ilgili konuların etkili bir şekilde kontrol edilmesi sağlanabilir.
EPİK TOZ
Epik Toz, Ultra ince toz endüstrisinde 20+ yıllık iş deneyimi. Ultra ince tozun gelecekteki gelişimini aktif olarak teşvik edin, ultra ince tozun ezilmesi, öğütülmesi, sınıflandırılması ve modifikasyon sürecine odaklanın. Ücretsiz danışmanlık ve özelleştirilmiş çözümler için bizimle iletişime geçin! Uzman ekibimiz, toz işleme değerinizin en üst düzeye çıkarılması için yüksek kaliteli ürünler ve hizmetler sunmaya kendini adamıştır. Epic Powder—Güvenilir Toz İşleme Uzmanınız!