في السنوات الأخيرة، أدى التطور السريع لمركبات الطاقة الجديدة إلى زيادة الطلب على أداء البطاريات. تتميز مواد الأنود التقليدية القائمة على الجرافيت بسعة نوعية منخفضة، ويصعب تلبية الطلب عليها. السيليكون يتمتع بسعة نوعية نظرية عالية جدًا، مما يُحسّن أداء البطارية بفعالية. لديه إمكانات كبيرة للتطوير كمواد أنود. مادة السيليكون المصدر، وشكل الجسيمات، وطرق المعالجة تؤثر بشكل كبير على أداء أقطاب كهربائية سالبة قائمة على السيليكون.
دعونا نلقي نظرة على مصادر السيليكون للأقطاب الكهربائية السلبية القائمة على السيليكون.
الدياتوميت والزيوليت والرمل ومصادر السيليكون المعدنية الأخرى
المعدنية يُعد السيليكون مصدر السيليكون الأكثر وفرةً وانتشارًا اليوم. ويوجد بشكل رئيسي على شكل أكاسيد وسيليكات السيليكون، مثل الرمل والزيوليت والفلسبار والطين. تتميز معادن السيليكون بمحتوى عالٍ من السيليكون وخصائص مثل الصلابة العالية والاستقرار الحراري. المواد الكيميائية الاستقرار. تحتوي بعض معادن السيليكون على العديد من المسام الصغيرة في بنيتها المجهرية، مما يمنحها مساحة سطح نوعية كبيرة. هذا يجعلها مناسبة لتحضير مواد أنود مسامية قائمة على السيليكون.
الدياتوميت
الدياتوميت رواسب تتكون من تراكم بقايا الدياتومات الصغيرة من البحار القديمة. ينتشر على نطاق واسع كصخر سيليسي ذي سعة تخزين عالية على الأرض. المكون الكيميائي الرئيسي لتراب الدياتومي هو ثاني أكسيد السيليكون (SiO2)، بمحتواه الأقصى الذي يصل إلى 94%. بالإضافة إلى ذلك، يحتوي على كميات ضئيلة من الشوائب المعدنية والمواد العضوية. يتميز ثاني أكسيد السيليكون (SiO2) المُستخلص من تراب الدياتومي ببنية مسامية جيدة. بالمقارنة مع مصادر سيليكون الكتلة الحيوية، يحتوي على نسبة كربون أقل، لكن محتواه من السيليكون أعلى. يتميز هيكل السيليكا ببنية شبكية ثلاثية الأبعاد فريدة وعالية التنظيم. من خلال الاستخلاص والتركيب البسيطين، يمكن استخدام مواد السيليكون النانوية المسامية لتحضير أنودات قائمة على السيليكون.
الكلينوبتيلوليت
يتكون الكلينوبتيلوليت بشكل أساسي من السيليكات، مع نسبة عالية من السيليكون (57%–70%) وبنية قناة معقدة تشبه القفص. تُعد هذه البنية مفيدة لتحضير مواد أنودية متجانسة المسامية قائمة على السيليكون. يستخدم الباحثون الطحن الميكانيكي لفتح قنوات النقل الداخلية للكلينوبتيلوليت. ثم يُسخّنون لتعزيز تفاعل الاختزال الحراري للمغنيسيوم، مما يُستخلص السيليكون العنصري. علاوة على ذلك، تُستخدم طريقة الترسيب البخاري لتكسير التولوين على سطح السيليكون النانوي، مُشكّلين طبقة كربونية. ينتج عن ذلك بنية إسفنجية من مواد الأقطاب السالبة القائمة على السيليكون النانوي المسامي. تعمل هذه المسامات بفعالية على موازنة تغيرات حجم الأنود القائم على السيليكون أثناء دورات الشحن والتفريغ. وهذا يضمن السلامة الميكانيكية للمادة، مع مزايا مثل سهولة التحضير وثبات الدورة الجيد.
رمل
الكوارتز هو المكون الرئيسي للرمل، ويتميز بمزايا مثل وفرة الاحتياطيات، وانخفاض التكلفة، وسهولة الاستخراج مقارنةً بخامات السيليكون الأخرى. ومع ذلك، يتكون ثاني أكسيد السيليكون في الرمل من عدد كبير من رباعيات السطوح SiO4 المرتبطة بذرات أكسجين مشتركة، مما يُشكل شبكة قوية من السيليكون والأكسجين. يتميز هذا الهيكل بثباته العالي وصعوبة استخدامه. يستخدم الباحثون كلوريد الصوديوم لامتصاص الحرارة المتولدة أثناء عملية اختزال المغنيسيوم، مما يمنع ذوبان الجسيمات. يُستخرج السيليكون النانوي من رمل البحر، ويُستخدم التحلل الحراري عالي الحرارة للأسيتيلين للحصول على الكربون. طلاء على جزيئات السيليكون. وينتج عن ذلك مواد أنود السيليكون والكربون المغلفة جيدًا.
مصادر السيليكون للكتلة الحيوية مثل قشور الأرز والقصب
تشمل النباتات الغنية بالسيليكون ما يلي: قشور الأرزالقصب، وذيل الحصان، وأوراق الشاي، والخيزران. يختلف محتوى السيليكون باختلاف النباتات. في الكتلة الحيوية، يوجد السيليكون بشكل رئيسي على شكل سيليكا حرة في السيقان، واللحاء، والأوراق. تُستخدم تفاعلات كيميائية لتحويله إلى سيليكون مسامي عنصري. يلي ذلك عملية طلاء كربوني لتحضير مواد أقطاب سالبة قائمة على السيليكون.
يمكن للسيليكا في الكتلة الحيوية، بعد الاختزال، أن تحتفظ ببنيتها المسامية إلى حد كبير. أثناء تحضير الأقطاب الموجبة المصنوعة من السيليكون، يمكن لعملية بسيطة الحفاظ على هيكلها المسامي. هذا يزيد المساحة الداخلية للمادة بشكل فعال، مما يُخفف من تمدد السيليكون في الحجم أثناء دورات الشحن والتفريغ. يتميز استخدام الكتلة الحيوية كمصدر للسيليكون في تحضير مواد الأقطاب السالبة المصنوعة من السيليكون بمزايا مثل التوافر الواسع والاستدامة. ويتماشى هذا مع مفاهيم التطوير الحالية منخفضة الكربون والصديقة للبيئة، مما يجعلها مصدرًا مثاليًا للسيليكون.
قشور الأرز منتج ثانوي للأرز، ويُنتج منها أكثر من 100 مليون طن سنويًا عالميًا. ورغم اختلاف تركيب قشور الأرز باختلاف نوعها وأصلها، إلا أنها تتكون أساسًا من اللجنين والسليلوز والهيميسليلوز والسيليكا. عادةً، يُشكل الرماد المتبقي بعد حرق قشور الأرز حوالي 20% من كتلة القشور، بينما يتراوح محتوى السيليكا بين 87 و97%. ومن خلال طرق مثل التكليس والغسل وإزالة الشوائب وتفاعلات الاختزال، يُمكن استخلاص السيليكون العنصري من قشور الأرز. وتتميز السيليكا الموجودة في قشور الأرز ببنية مسامية، ويمكن أن تُنتج تفاعلات بسيطة سيليكون نانوي ثلاثي الأبعاد مسامي. وعند دمجه مع الكربون العضوي، يُعزز هذا الأداء الكهروكيميائي للمادة.
بالإضافة إلى قشور الأرز، يُعدّ القصب أيضًا مادةً جيدةً للأقطاب الموجبة القائمة على السيليكون. فهو يحتوي على سيليكا نانوية مُرتّبة بشكلٍ مُنتظم، وبنية طبقية ثلاثية الأبعاد تُشبه الرقائق. وباستخدام تفاعل اختزال حراري بسيط للمغنيسيوم، يُمكن الحصول على سيليكون ثلاثي الأبعاد عالي المسامية.
السيلان ومصادر الغاز الكيميائي الأخرى للسيليكون
تُستخدم مصادر السيليكون الغازية بشكل شائع لتحضير الأنودات القائمة على السيليكون، بما في ذلك السيلان (SiH4)، وثلاثي كلورو السيلان (SiHCl3)، ورابع كلوريد السيليكون (SiCl4). يمكن استخدام هذه المصادر في تقنيات الترسيب البخاري، مثل الترسيب الكيميائي البخاري، لتحضير السيليكون النانوي في ظل ظروف مناسبة. يُعد السيلان المصدر الغازي الرئيسي المستخدم لتحضير الأنودات القائمة على السيليكون. يُستخدم السيلان، وهو مركب سيليكون-هيدروجين، بشكل أساسي على شكل ميثيل السيلان (SiH4) لهذا الغرض. عادةً ما تُستخدم طريقة الترسيب البخاري، حيث يتحلل السيلان لتوليد سيليكون نانوي يلتصق بالركيزة.
ويتم بعد ذلك تحقيق طلاء الكربون عن طريق تحلل الغازات المحتوية على الكربون، مما يؤدي إلى إنتاج مواد أنود السيليكون والكربون.
مصادر السيليكون الغازية مناسبة لتحضير مواد أنود السيليكون والكربون من الجيل التالي. فمن خلال إنتاج جزيئات سيليكون نانوية أصغر حجمًا وتعديلات سطحية، تُعالج هذه المصادر بفعالية مشكلة تمدد الحجم أثناء الاستخدام الفعلي. ومع ذلك، فإن مصادر السيليكون الغازية (مثل السيلان) شديدة عدم الاستقرار وقابلة للاشتعال وسامة. لذلك، يلزم التحكم الدقيق في درجة الحرارة والضغط وتدفق الغاز أثناء التحضير والاستخدام لضمان السلامة والاستقرار. وهذا يؤدي إلى زيادة متطلبات معدات الإنتاج والتحكم في العمليات وزيادة تكاليف الإنتاج.
نفايات السيليكون الكهروضوئية ومواد النفايات الأخرى
غالبًا ما يتطلب السيليكون الكهروضوئي القطع والتشكيل أثناء عملية التصنيع، مما ينتج عنه نفايات سيليكون من قصاصات الحواف والزوايا. مع انتشار استخدام السيليكون الكهروضوئي، يتزايد إنتاج نفايات السيليكون عامًا بعد عام. نفايات السيليكون غير مكلفة ومتوفرة بسهولة، وتتميز بنقاء عالٍ نسبيًا ومحتوى منخفض من الشوائب. وهي مناسبة لتحضير مواد الأنود القائمة على السيليكون.
لمعالجة مشاكل عمليات التحضير المعقدة وارتفاع تكاليف المواد، استخدم الباحثون نفايات السيليكون الناتجة عن تقطيع الخلايا الكهروضوئية الصناعية كمصدر للسيليكون. ومن خلال طحن الكرات عالي الطاقة، يُختزل السيليكون إلى حجم النانو. ثم يُستخدم السكروز كمصدر كربون لتغليف السيليكون النانوي، مما ينتج عنه مواد أنودية من الكرات الدقيقة Si@C. يُقلل هذا النهج من تكاليف المواد ويُبسط عملية التحضير. يُغلف تصميم هيكل الطلاء السيليكون النانوي بالداخل، مما يمنع التلامس المباشر مع الإلكتروليت ويقلل استهلاكه. يخضع السيليكون النانوي لتقلبات في الحجم داخل الكرات الكربونية، مما يحافظ على التلامس الجيد مع مادة الكربون ويُمكّن من نقل أيونات الليثيوم بسرعة.
يمكن لزجاج الكوارتز المُعاد تدويره، بعد المعالجة، أن يُنتج مواد أنود سيليكون ذات أداء دوراني مستقر. استخدم الباحثون زجاجًا مكسورًا مُهملاً، ومن خلال الاختزال الحراري بالمغنيسيوم، حصلوا مباشرةً على شبكة ربط سيليكون. بعد طلاء السطح بمادة كربونية، جُمعت المادة في بطارية. عند كثافة تيار C/2، وبعد 400 دورة، ظلت السعة عند 1420 مللي أمبير/ساعة. يُعاني طلاء الكربون على السطح من قيود في تقييد تمدد مادة السيليكون، وهو سبب رئيسي لفقدان كبير في السعة في الدورات الأولية. ومع ذلك، فإن الهيكل المُحافظ عليه بعد معالجة الزجاج يوفر قدرة ممتازة على مقاومة التمدد، محققًا معدل احتفاظ بالسعة يصل إلى 74%.
خاتمة
في الختام، يأتي "السيليكون" في الأنودات السيليكونية من مصادر متنوعة. يمكن الحصول عليه من المعادن والنباتات والنفايات ومصادر السيليكون الغازية. مع التقدم التكنولوجي، أصبح استخدام هذه المصادر أكثر كفاءة واستدامة. توفر هذه المصادر المتنوعة خيارات متنوعة لتطوير مواد الأنودات السيليكونية، مما قد يُسهم في تطوير تقنيات بطاريات عالية الأداء.
مسحوق ملحمي
مسحوق ملحميأكثر من ٢٠ عامًا من الخبرة في صناعة المساحيق فائقة النعومة. ندعم بنشاط تطوير المساحيق فائقة النعومة، مع التركيز على عمليات التكسير والطحن والتصنيف والتعديل. تواصل معنا للحصول على استشارة مجانية وحلول مُخصصة! فريقنا من الخبراء مُلتزم بتقديم منتجات وخدمات عالية الجودة لتعزيز قيمة معالجة مساحيقك. إيبك باودر - خبيرك الموثوق في معالجة المساحيق!