Với sự phát triển của EV và thiết bị điện tử, pin lithium-ion đòi hỏi mật độ năng lượng cao hơn. Các anode graphite truyền thống có dung lượng lý thuyết thấp là 372mAh/g, hạn chế việc cải thiện mật độ năng lượng. Silicon dồi dào, thân thiện với môi trường và có dung lượng lý thuyết cao là 4200mAh/g. Nó được coi là vật liệu anode pin lithium-ion thế hệ tiếp theo đầy hứa hẹn. Tuy nhiên, sự giãn nở thể tích nghiêm trọng và hiệu suất Coulomb ban đầu thấp cản trở ứng dụng thực tế của nó. Vật liệu anode gốc silicon đã được sửa đổi có thể cải thiện hiệu quả hiệu suất điện hóa của chúng.
Phân tích lỗi của pin lithium-ion anode gốc silicon
Silic có nhiều trong lớp vỏ Trái Đất và có dung lượng lý thuyết cao là 4200mAh/g như một cực dương của pin lithium-ion. Mặc dù có nhiều ưu điểm, nhưng trong quá trình lithi hóa vẫn phát sinh các vấn đề như giãn nở thể tích và giảm độ dẫn điện. Vật liệu hoạt động có thể bị gãy hoặc vỡ vụn, và vật liệu điện cực có thể tách khỏi bộ thu dòng điện.
Khi vật liệu gốc silicon được sử dụng làm cực dương của pin lithium, silicon và lithium trải qua phản ứng hợp kim trong quá trình sạc và xả. Trong quá trình này, thể tích silicon dao động trong khoảng 100%–300%. Những thay đổi về hàm lượng silicon gây ra các vết nứt trong vật liệu cực dương, dẫn đến sự nghiền thành bột. Vật liệu bị nghiền tách khỏi bộ thu dòng điện, làm hỏng cấu trúc cực dương. Trong giai đoạn này, sự suy giảm dung lượng pin nhanh hơn nhiều so với pin thông thường.
Trong chu kỳ sạc-xả, sự dao động thể tích lớn của silicon ngăn không cho lớp màng giao diện chất điện phân rắn (SEI) còn nguyên vẹn. Khi lớp màng SEI bị nứt, các lớp SEI mới hình thành, do đó tiêu thụ lithium. Sự hình thành SEI liên tục dẫn đến mất lithium đáng kể, làm tăng điện trở bên trong và làm giảm dung lượng nhanh chóng.
Do nồng độ chất mang nội tại của silicon thấp nên hiệu suất giải phóng và chu kỳ cũng như độ dẫn điện của pin kém. Điều này hạn chế ứng dụng của pin trên thị trường.
Vật liệu anode gốc silicon đã được sửa đổi
Sửa đổi bề mặt kỹ thuật thay đổi hóa chất thành phần hoặc cấu trúc bề mặt vật liệu bằng phương pháp hóa học hoặc vật lý, đồng thời bảo toàn các đặc tính vốn có của vật liệu và mang lại các đặc điểm bề mặt mới.
Hiện nay, các kỹ thuật Vật liệu anode gốc silicon biến tính chủ yếu bao gồm bề mặt lớp phủ, chức năng hóa bề mặt và màng SEI nhân tạo, tất cả đều cải thiện hiệu quả hiệu suất điện hóa của anot gốc silicon.
Lớp phủ bề mặt
Cơ chế chính của lớp phủ bề mặt silicon là tạo ra một hoặc nhiều lớp bảo vệ trên bề mặt silicon. Các lớp này được chế tạo bằng phương pháp vật lý hoặc hóa học để cải thiện hiệu suất điện hóa của anot silicon. Thông thường, lớp bảo vệ có các chức năng sau.
- Ổn định cấu trúc anot silicon và ngăn chặn sự giãn nở thể tích để cải thiện hiệu suất tuần hoàn.
- Hoạt động như một rào cản để giảm tiếp xúc trực tiếp giữa silicon và chất điện phân, ức chế các phản ứng phụ và giảm tiêu thụ Li+, cải thiện ICE.
- Lớp bảo vệ bề mặt có khả năng truyền các ion và electron, cải thiện độ dẫn điện của chất nền silicon.
Lớp phủ bề mặt silicon được coi là một trong những phương pháp chính cho các ứng dụng anode silicon-carbon thương mại. Các kỹ thuật phổ biến để chuẩn bị tiền chất phủ bề mặt silicon bao gồm các phương pháp hóa học ướt, nghiền bi cơ học, sấy phun, lắng đọng và các phương pháp tương tự khác. Sau đó là xử lý nhiệt hoặc tổng hợp trực tiếp cấu trúc lớp phủ.
Ưu điểm chính của nó là phương pháp phủ đa dạng và dễ sản xuất hàng loạt.
Lớp phủ có tác dụng ngăn chặn hiệu quả sự giãn nở thể tích trong quá trình sạc-xả, tăng cường hiệu suất chu trình.
Chức năng bề mặt
Chức năng hóa bề mặt vật liệu bột là phương pháp chế tạo vật liệu có đặc tính cụ thể. Phương pháp này bao gồm việc biến đổi bề mặt của chất nền bằng các phân tử chức năng để đạt được tính đồng nhất hoặc tách pha. Phương pháp này tận dụng lợi thế về hiệu suất của cả hai hệ thống. Cấu trúc và chức năng có thể được kiểm soát chính xác thông qua các phương pháp cụ thể, truyền các đặc tính khác nhau cho vật liệu chính.
Hiện nay, các phương pháp xử lý chức năng hóa bề mặt giải quyết các vấn đề như giãn nở thể tích anode silicon, độ dẫn điện kém và ICE thấp. Cơ chế chính là xử lý trước bề mặt silicon, sau đó là ghép tại chỗ các nhóm chức năng. Các nhóm chức năng bề mặt được sử dụng để cải thiện hiệu suất điện hóa của anode silicon. Chức năng hóa bề mặt thường được áp dụng trong nghiên cứu sửa đổi bề mặt silicon có cấu trúc nano.
Vai trò chính của nó là tăng cường tương tác giữa silicon biến tính và chất điện phân. Điều này thúc đẩy quá trình phân hủy chất điện phân để tạo thành màng SEI ổn định, cải thiện hiệu suất điện hóa anot silicon.
Ưu điểm chính của nó là phương pháp sửa đổi đơn giản. Nhược điểm của nó là phạm vi ứng dụng bị giới hạn ở silicon cỡ nano.
Phim SEI nhân tạo
Trong lần chèn lithium đầu tiên, bề mặt silicon phản ứng không thể đảo ngược với chất điện phân, tạo thành một lớp màng gọi là màng SEI. Lớp màng SEI đóng vai trò quan trọng bằng cách ngăn chặn các phản ứng không thể đảo ngược tiếp theo, đảm bảo tính thuận nghịch của điện cực. Tuy nhiên, quá trình hình thành lớp màng SEI tiêu thụ một số Li+ và chất điện phân, ảnh hưởng đến hiệu suất ban đầu. Nếu lớp màng SEI quá dày, nó có thể chặn quá trình vận chuyển Li+ và tác động đến hoạt động điện hóa của cực dương. Một lớp màng SEI ổn định là điều cần thiết để đạt được các cực dương gốc silicon hiệu suất cao. Phương pháp xây dựng lớp màng “SEI nhân tạo” (ASEI) tạo thành các cấu trúc bề mặt đặc biệt trên silicon. Điều này làm giảm các phản ứng phụ và ức chế sự phân hủy chất điện phân, dẫn đến lớp màng SEI ổn định hơn và ICE cao hơn.
Ưu điểm của nó bao gồm các phương pháp đa dạng và mô hình lớp màng phong phú. Tuy nhiên, nhược điểm là khó kiểm soát sự hình thành màng SEI đồng đều và thiếu khả năng mở rộng cho các ứng dụng sản xuất.
Ứng dụng của vật liệu anode gốc silicon
Anode gốc silicon được coi là một trong những vật liệu anode thế hệ tiếp theo đầy hứa hẹn nhất cho công nghiệp hóa, đạt được sự đồng thuận rộng rãi trong ngành năng lượng mới. Các nghiên cứu cho thấy việc sử dụng anode gốc silicon có thể tăng mật độ năng lượng từ 20% lên 40% so với các loại pin tương tự hiện có.
Theo quan điểm về lộ trình quy trình, anode gốc silicon được chia thành công nghệ anode silicon-carbon và anode silicon-oxy. Trong những năm gần đây, ứng dụng anode silicon-carbon đã được đẩy nhanh.
Năm 2017, Tesla đã áp dụng anode silicon-carbon trong sản xuất hàng loạt xe điện Model 3, tăng phạm vi hoạt động lên 20%. Điều này chứng minh tác động đáng kể của anode silicon-carbon trong việc cải thiện hiệu suất pin và thu hút được sự chú ý đáng kể. Vào tháng 6 năm 2022, CATL đã phát hành pin Qilin, sử dụng vật liệu silicon-carbon với mật độ năng lượng là 255 Wh/kg. Vào tháng 6 năm 2023, Tesla thông báo rằng tổng sản lượng pin silicon carbon 4680 của hãng đã vượt quá 10 triệu đơn vị, đánh dấu giai đoạn sản xuất hàng loạt chính thức của Pin 4680.
Phần kết luận
Được thúc đẩy bởi xu hướng xe năng lượng mới và nền kinh tế ở độ cao thấp, anode gốc silicon đang thu hút sự chú ý như là vật liệu anode mới được ưa chuộng cho pin thể rắn. Theo nghiên cứu hiện tại, một phương pháp biến đổi bề mặt đơn lẻ là không đủ để giải quyết toàn diện các vấn đề do sự giãn nở thể tích anode silicon gây ra. Ngoài ra, một số phương pháp biến đổi liên quan đến các quy trình phức tạp và chi phí cao, khiến cho việc ứng dụng công nghiệp quy mô lớn trở nên khó khăn.
Do đó, hướng phát triển trong tương lai có thể tập trung vào việc tối ưu hóa hiệp đồng của nhiều phương pháp sửa đổi.
Thông qua các ứng dụng toàn diện như sửa đổi bề mặt, có thể kiểm soát hiệu quả sự giãn nở thể tích anot silicon và các vấn đề liên quan.
BỘT EPIC
Bột Epic, Hơn 20 năm kinh nghiệm làm việc trong ngành bột siêu mịn. Tích cực thúc đẩy sự phát triển trong tương lai của bột siêu mịn, tập trung vào quá trình nghiền, xay, phân loại và sửa đổi bột siêu mịn. Liên hệ với chúng tôi để được tư vấn miễn phí và các giải pháp tùy chỉnh! Đội ngũ chuyên gia của chúng tôi tận tâm cung cấp các sản phẩm và dịch vụ chất lượng cao để tối đa hóa giá trị chế biến bột của bạn. Epic Powder—Chuyên gia chế biến bột đáng tin cậy của bạn!