مواد الأنودات المصنوعة من السيليكون والكربون (Si-C) تُعتبر هذه التقنيات من أهم التقنيات الأساسية التي تُمكّن الجيل القادم من بطاريات الليثيوم أيون عالية الكثافة الطاقية. وقد صُممت هذه التقنيات للتغلب على القيد المتأصل في مصاعد الجرافيت التقليدية، التي تبلغ سعتها النوعية النظرية 372 مللي أمبير/غرام فقط، ولإحداث قفزة نوعية في كثافة طاقة البطارية.
أولاً: لماذا نختار السيليكون؟ ولماذا يجب أن يكون مركباً؟
المزايا البارزة للسيليكون
- سعة نظرية فائقة الارتفاع
يتمتع السيليكون النقي بسعة نوعية نظرية تبلغ حوالي 4200 مللي أمبير/غرام، أي أكثر من عشرة أضعاف سعة الجرافيت. - إمكانية إدخال الليثيوم المناسبة
أعلى قليلاً من الجرافيت، مما يوفر أمانًا محسنًا ويقلل من خطر ترسب الليثيوم. - موارد وفيرة وصديقة للبيئة
السيليكون متوفر على نطاق واسع وغير ضار بالبيئة.
العيوب الحرجة للسيليكون ("نقطة ضعفه")
- جسيمات شديدة التفتيت
يؤدي الكسر الميكانيكي أثناء التشغيل إلى فقدان الاتصال الكهربائي والانفصال عن جامع التيار. - طبقة التفاعل بين الإلكتروليت الصلب غير المستقرة (SEI)
يؤدي التمزق المستمر وتجديد طبقة SEI إلى استهلاك الإلكتروليت والليثيوم، مما ينتج عنه كفاءة كولومبية منخفضة وتلاشي سريع للسعة. - تمدد حجمي هائل
يمكن أن يخضع السيليكون لأكثر من توسيع حجم 300% أثناء عملية التطعيم بالليثيوم، مما يسبب:- الانهيار الهيكلي
- تشقق الأقطاب الكهربائية
- فقدان التوصيل الإلكتروني
- ضعف التوصيل الكهربائي الذاتي
أقل جودة بكثير من الجرافيت.
دور "الكربون"“
- مصفوفة التخزين الميكانيكي
تستوعب المواد الكربونية المرنة (الكربون غير المتبلور، والجرافيت، والجرافين، وما إلى ذلك) تغيرات حجم السيليكون وتمنع الفشل الهيكلي. - تكوين الشبكة الموصلة
يعمل الكربون على تحسين التوصيل الكهربائي الكلي للمركب بشكل ملحوظ. - استقرار طبقة SEI
تتشكل طبقة SEI أكثر استقرارًا على أسطح الكربون، مما يحد من التلامس المباشر المفرط بين السيليكون والإلكتروليت.
لذلك، فإن تصميم مركب السيليكون والكربون هو مسار تكنولوجي لا مفر منه لتحقيق التوازن بين السعة العالية للغاية وعمر الدورة الطويل.
طرق معالجة مركبات السيليكون والكربون الشائعة
تتمثل الفكرة الأساسية في هندسة هياكل السيليكون والكربون على المستوى النانوي للتخفيف من الإجهاد الميكانيكي أثناء دورات الشحن والتفريغ.
هياكل اللب والقشرة (الطلاء)
مفهوم:
تُغلّف جزيئات السيليكون بغلاف كربوني موحد.
عملية:
يتم تغليف جزيئات السيليكون النانوية أو أكسيد السيليكون بالكربون عبر المواد الكيميائية الترسيب البخاري (CVD)، أو التحلل الحراري للبوليمر، أو الطور السائل طلاء.
سمات:
- يوفر الغلاف الكربوني مسارات توصيل إلكترونية مستمرة
- يمنع التمدد الحجمي الخارجي للسيليكون
- يعزل السيليكون عن الهجوم المباشر للإلكتروليت
- يعزز استقرار الدراجة وكفاءة كولوم
- يُعد التحكم الدقيق في سمك الكربون أمرًا بالغ الأهمية
الهياكل المدمجة / المشتتة
مفهوم:
تتوزع جزيئات السيليكون النانوية بشكل متجانس داخل مصفوفة كربونية متصلة، على غرار "الزبيب المضمن في الخبز".“
عملية:
يتم خلط السيليكون النانوي (<100 نانومتر) مع سلائف الكربون (الراتنجات، القطران، إلخ)، متبوعًا بالكربنة لتشكيل مصفوفة مركبة.
سمات:
- تعمل مصفوفة الكربون كطور مستمر لامتصاص الإجهاد
- يمنع تكتل السيليكون
- يحسن السلامة الميكانيكية للإلكترود
- سعة معتدلة مع أداء محسّن لركوب الدراجات على المدى الطويل
- قابل للتوسع نسبياً وفعال من حيث التكلفة
الهياكل المسامية / الهيكلية
مفهوم:
يوفر إطار الكربون المسامي الصلب مساحة فراغ داخلية لاستيعاب تمدد السيليكون.
عملية:
يتم تحضير مواد الكربون المسامية (أنابيب الكربون النانوية، والهلاميات الهوائية للجرافين، والكربون المنشط) أولاً، يليها ترسيب السيليكون أو التغلغل (على سبيل المثال، CVD).
سمات:
- حجم الفراغ الداخلي الكبير يعمل على تخفيف التمدد بشكل فعال
- استقرار هيكلي قوي
- مسارات نقل ممتازة لأيونات الليثيوم والإلكترونات
- قدرة عالية على معدل نقل البيانات
- عملية تصنيع معقدة وتكلفة أعلى
بنية من النوع المرتبط (أكسيد السيليكون - الكربون، SiOₓ - C)
(الطريق الأكثر تصنيعاً حالياً)
مفهوم:
يشكل أحادي أكسيد السيليكون (SiOₓ) مركبًا ذاتي التخزين المؤقت أثناء عملية الليثيوم.
خصائص المواد:
عند إدخال الليثيوم، يتشكل SiOₓ:
- نطاقات نانوية نشطة من السيليكون
- سيليكات الليثيوم غير النشطة / أطوار أكسيد الليثيوم التي تعمل كمخازن داخلية
عملية:
يتم خلط جزيئات SiOₓ مع مصادر الكربون (القطران، الراتنج)، ثم يتم تحبيبها وكربنتها لتشكيل جزيئات ثانوية ذات روابط وتغليف كربوني.
سمات:
- استقرار فائق في دورات الشحن والتفريغ مقارنةً بالسيليكون النقي
- انخفاض كفاءة كولوم في الدورة الأولى (يتطلب معالجة مسبقة بالليثيوم)
- سلامة هيكلية ممتازة
- تُستخدم على نطاق واسع في بطاريات الطاقة عالية الأداء (مثل خلايا Tesla 4680).
- تُعد تقنية الأنود القائمة على السيليكون حاليًا الأكثر نضجًا على المستوى التجاري
تقنيات التحضير الرئيسية
الترسيب الكيميائي للبخار (CVD)
التطبيقات:
- طبقة كربونية على جزيئات السيليكون
- ترسيب السيليكون داخل هياكل الكربون المسامية
عناصر التحكم الرئيسية:
- درجة حرارة
- تدفق غاز مصدر الكربون (الميثان، الإيثيلين، إلخ).
- وقت الترسيب
- سمك طبقة الكربون ودرجة التغرافيت
الطاقة الميكانيكية العالية طحن الكرات
التطبيقات:
- المزج الفيزيائي للسيليكون ذي الحجم الميكروني مع الجرافيت أو أسود فاحم
- تحسين الجسيمات الأولي وتكوين المركبات
عناصر التحكم الرئيسية:
- وقت الطحن وشدته
- التحكم في الغلاف الجوي
- منع التلوث والتحول المفرط إلى الحالة غير المتبلورة
التجفيف بالرش والتحلل الحراري
التطبيقات:
- تكوين كريات مجهرية ثانوية متجانسة من السيليكون والكربون
عملية:
يتم تجفيف جزيئات السيليكون النانوية وسلائف الكربون (مثل السكروز والبوليمرات) بالرش ثم يتم تفحيمها.
عناصر التحكم الرئيسية:
- اختيار السلائف
- حجم القطرة
- ظروف التحلل الحراري
تقنية ما قبل الليثيوم (عملية دعم حاسمة)
غاية:
لتعويض فقدان الليثيوم غير القابل للعكس أثناء التكوين الأولي لطبقة SEI وتحسين كفاءة كولوم في الدورة الأولى.
طُرق:
- معالجة مسبقة مباشرة لليثيوم عند المصعد (تلامس رقائق الليثيوم، مسحوق معدن الليثيوم المستقر - SLMP)
- تعويض الليثيوم في الكاثود (إضافات غنية بالليثيوم)
أهمية:
تعتبر عملية الليثيوم المسبقة عاملاً حاسماً في الجدوى التجارية لأقطاب السيليكون والكربون.
التحديات التقنية واتجاهات التطوير
التحديات الراهنة
- تكلفة عالية
تؤدي عمليات تصنيع السيليكون النانوي، وSiOₓ، والعمليات المركبة المعقدة إلى زيادة تكلفة الإنتاج. - المفاضلة بين كفاءة الدورة الأولى وعمر الدورة
- قيود كثافة الطاقة الحجمية
يؤدي انخفاض كثافة الصنبور واستيعاب التمدد إلى تقليل المكاسب الحجمية العملية. - توافق الإلكتروليتات
يلزم استخدام إضافات إلكتروليتية متخصصة لتشكيل طبقات SEI قوية.
اتجاهات التنمية المستقبلية
- تصميم المواد المتقدمة
الانتقال من تحسين البنية المجهرية إلى التحكم على المستوى الذري والجزيئي. - ابتكار العمليات وخفض التكاليف
تطوير تقنيات النانو سيليكون والمواد المركبة القابلة للتطوير ومنخفضة التكلفة. - تكامل نظام الخلية الكاملة
التطوير المشترك باستخدام الكاثودات عالية النيكل، والإلكتروليتات المتقدمة، وبطاريات الحالة الصلبة. - زيادة محتوى السيليكون
زيادة تدريجية من 5-10% نحو السيليكون >20%، مع الحفاظ على استقرار الدورة.
خاتمة
يكمن جوهر تكنولوجيا الأنود السيليكوني الكربوني في "التشكيل النانوي + التركيب + الهندسة الهيكلية".“
من خلال الجمع الذكي بين السعة العالية للغاية للسيليكون ووظائف الكربون في التخزين المؤقت والتوصيل، يصبح من الممكن تسخير مزايا السيليكون مع قمع عيوبه الجوهرية.
في الوقت الراهن، حققت مركبات SiOₓ–C انتشارًا تجاريًا واسع النطاق، بينما تمثل مركبات السيليكون النانوية الكربونية التوجه المستقبلي لبطاريات الليثيوم أيون ذات كثافة طاقة أعلى. ومع نضوج تقنيات التصنيع واستمرار انخفاض التكاليف، من المتوقع أن تصبح مصاعد السيليكون الكربوني معيارًا أساسيًا في الجيل القادم من البطاريات عالية الأداء.
شكرًا لقراءتكم. آمل أن يكون مقالي مفيدًا. يُرجى ترك تعليق أدناه. يمكنكم أيضًا التواصل مع ممثل خدمة عملاء زيلدا عبر الإنترنت لأي استفسارات أخرى.
— نشر بواسطة إميلي تشين