Крэмній-вугляродныя (Si-C) аноды лічацца адной з асноўных тэхналогій для стварэння літый-іённых акумулятараў наступнага пакалення з высокай шчыльнасцю энергіі. Яны прызначаны для пераадолення ўнутранага абмежавання традыцыйных графітавых анодаў, тэарэтычная ўдзельная ёмістасць якіх складае ўсяго 372 мАг/г, і для значнага павелічэння шчыльнасці энергіі акумулятара.
I. Чаму варта выбраць крэмній? Чаму гэта павінен быць кампазіт?
Выдатныя перавагі крэмнію
- Звышвысокая тэарэтычная ёмістасць
Чысты крэмній мае тэарэтычную ўдзельную ёмістасць прыблізна 4200 мАг/г, што больш чым у дзесяць разоў перавышае ёмістасць графіту. - Адпаведны патэнцыял устаўкі літыя
Крыху вышэй, чым у графіту, што забяспечвае павышаную бяспеку і зніжае рызыку літыевага пакрыцця. - Багатыя рэсурсы і экалагічнасць
Крэмній шырока даступны і экалагічна бяспечны.
Крытычныя недахопы крэмнію (“ахілесава пята’)
- Моцныя часціцы драбненне
Механічнае пашкоджанне падчас цыклавання прыводзіць да страты электрычнага кантакту і адрыву ад токапрыёмніка. - Нестабільная міжфазная фаза цвёрдага электраліта (SEI)
Пастаянны разрыў і рэгенерацыя пласта SEI спажываюць электраліт і літый, што прыводзіць да нізкай кулонаўскай эфектыўнасці і хуткага зніжэння ёмістасці. - Экстрэмальнае пашырэнне аб'ёму
Крэмній можа вытрымліваць больш чым Пашырэнне аб'ёму 300% падчас літыяцыі, што выклікае:- Структурны абвал
- Расколіны на электродах
- Страта электроннай праводнасці
- Слабая ўнутраная электраправоднасць
Значна саступае графіту.
Роля “вугляроду”
- Механічная буферызацыйная матрыца
Гнуткія вугляродныя матэрыялы (аморфны вуглярод, графіт, графен і г.д.) кампенсуюць змены аб'ёму крэмнію і прадухіляюць структурныя разбурэнні. - Фарміраванне праводнай сеткі
Вуглярод значна паляпшае агульную электраправоднасць кампазіта. - Стабілізацыя SEI
Больш стабільны SEI утвараецца на вугляродных паверхнях, што абмяжоўвае празмерны прамы кантакт паміж крэмніем і электралітам.
Такім чынам, канструкцыя з крэмніевых кампазітаў і вугляроду — гэта непазбежны тэхналагічны шлях для дасягнення балансу паміж звышвысокай ёмістасцю і працяглым тэрмінам службы.
Асноўныя тэхналагічныя маршруты атрымання крэмніевых-вугляродных кампазітаў
Асноўная канцэпцыя заключаецца ў распрацоўцы крэмніева-вугляродных архітэктур на нанамаштабе для змякчэння механічных нагрузак падчас цыклічнай нагрузкі.
Структуры «ядро-абалонка» (пакрыццё)
Канцэпцыя:
Часцінкі крэмнію інкапсуляваны аднастайнай вугляроднай абалонкай.
Працэс:
Часціцы нанакрэмнію або аксіду крэмнію пакрытыя вугляродам праз хімічны асаджэнне з паравой фазы (CVD), піроліз палімераў або вадкафазнае пакрыццё.
Асаблівасці:
- Вугляродная абалонка забяспечвае бесперапынныя шляхі электроннай праводнасці
- Падаўляе пашырэнне крэмнію вонкі
- Ізалюе крэмній ад прамога ўздзеяння электраліта
- Паляпшае ўстойлівасць веласіпеднага руху і кулонаўскі каэфіцыент эфектыўнасці
- Дакладны кантроль таўшчыні вугляроду мае вырашальнае значэнне
Убудаваныя / Рассеяныя структуры
Канцэпцыя:
Наначасціцы крэмнію раўнамерна размеркаваны ў бесперапыннай вугляроднай матрыцы, падобна да “разынак, убудаваных у хлеб”.”
Працэс:
Нанакрэмній (<100 нм) змешваецца з вугляроднымі папярэднікамі (смоламі, пекам і г.д.), пасля чаго адбываецца карбанізацыя для ўтварэння кампазітнай матрыцы.
Асаблівасці:
- Вугляродная матрыца дзейнічае як бесперапынная фаза, якая паглынае напружанне
- Прадухіляе агламерацыю крэмнію
- Паляпшае механічную цэласнасць электродаў
- Умераная ёмістасць з палепшанай доўгатэрміновай прадукцыйнасцю на ровары
- Адносна маштабуемы і эканамічна эфектыўны
Сітаватыя / каркасныя канструкцыі
Канцэпцыя:
Жорсткі сітаваты вугляродны каркас забяспечвае ўнутраную пустую прастору для размяшчэння пашырэння крэмнію.
Працэс:
Спачатку падрыхтоўваюцца порыстыя вугляродныя матэрыялы (вугляродныя нанатрубкі, графенавыя аэрогелі, актываваны вугаль), а затым праводзіцца асаджэнне або інфільтрацыя крэмнію (напрыклад, CVD).
Асаблівасці:
- Вялікі ўнутраны аб'ём пустэч эфектыўна буферуе пашырэнне
- Надзейная структурная ўстойлівасць
- Выдатныя шляхі транспарту літый-іёнаў і электронаў
- Высокая хуткасць
- Складаная вытворчасць і больш высокі кошт
Структура звязанага тыпу (аксід крэмнію-вуглярод, SiOₓ-C)
(На дадзены момант гэта найбольш індустрыялізаваны маршрут)
Канцэпцыя:
Монааксід крэмнію (SiOₓ) утварае самабуферны кампазіт падчас літыяцыі.
Характарыстыкі матэрыялу:
Пры літыяцыі SiOₓ утварае:
- Актыўныя крэмніевыя нанадамены
- Неактыўныя фазы сілікатаў літыя / аксіду літыя, якія дзейнічаюць як унутраныя буферы
Працэс:
Часціцы SiOₓ змешваюцца з крыніцамі вугляроду (смала, пек), гранулююцца і карбанізуюцца з утварэннем другасных часціц з вугляроднай сувяззю і пакрыццём.
Асаблівасці:
- Вышэйшая цыклічная стабільнасць у параўнанні з чыстым крэмніем
- Ніжэйшая кулонаўская эфектыўнасць першага цыкла (патрабуецца папярэдняя літыяцыя)
- Выдатная структурная цэласнасць
- Шырока выкарыстоўваецца ў высакаякасных акумулятарах (напрыклад, у элементах Tesla 4680)
- У цяперашні час найбольш развітая камерцыйная тэхналогія крэмніевых анодаў
Тэхналогіі падрыхтоўкі ключоў
Хімічнае асаджэнне з паравой фазы (CVD)
Прымяненне:
- Вугляроднае пакрыццё на часцінках крэмнію
- Адклад крэмнію ўнутры порыстых вугляродных каркасаў
Асноўныя элементы кіравання:
- тэмпература
- Паток газу-крыніцы вугляроду (метан, этылен і г.д.)
- Час адкладання
- Таўшчыня вугляроднага пласта і ступень графітызацыі
Высокаэнергетычная механіка Шарыкавы фрэзер
Прымяненне:
- Фізічнае змешванне крэмнію мікроннага маштабу з графітам або сажа
- Папярэдняе ўдасканаленне часціц і фарміраванне кампазіта
Асноўныя элементы кіравання:
- Час і інтэнсіўнасць памолу
- Кантроль атмасферы
- Прадухіленне забруджвання і празмернай амарфізацыі
Распыляльная сушка і піроліз
Прымяненне:
- Утварэнне аднастайных другасных крэмніевых-вугляродных мікрасфер
Працэс:
Наначасціцы крэмнію і вугляродныя папярэднікі (напрыклад, цукроза, палімеры) сушацца распыленнем, а затым карбанізуюцца.
Асноўныя элементы кіравання:
- Адбор папярэднікаў
- Памер кроплі
- Умовы тэрмічнага раскладання
Тэхналогія перадлітыяцыі (крытычны падтрымліваючы працэс)
Мэта:
Для кампенсацыі незваротных страт літыя падчас пачатковага ўтварэння SEI і павышэння кулонаўскай эфектыўнасці першага цыкла.
Метады:
- Прамое папярэдняе літыяванне анода (кантакт з літыевай фальгой, стабілізаваны парашок металічнага літыя – SLMP)
- Кампенсацыя катоднага літыя (дабаўкі, багатыя літыем)
Важнасць:
Папярэдняя літыяцыя з'яўляецца вырашальным фактарам камерцыйнай жыццяздольнасці крэмніева-вугляродных анодаў.
Тэхнічныя праблемы і тэндэнцыі развіцця
Бягучыя праблемы
- Высокі кошт
Нанакрэмній, сінтэз SiOₓ і складаныя кампазітныя працэсы павялічваюць сабекошт вытворчасці. - Кампраміс паміж эфектыўнасцю першага цыкла і тэрмінам службы цыкла
- Абмежаванні аб'ёмнай шчыльнасці энергіі
Нізкая шчыльнасць уводу і магчымасць пашырэння памяншаюць практычны аб'ёмны прырост. - Сумяшчальнасць электралітаў
Для ўтварэння трывалых слаёў SEI патрабуюцца спецыялізаваныя дабаўкі электраліта.
Тэндэнцыі развіцця будучыні
- Пашыраны дызайн матэрыялаў
Пераход ад мікраструктурнай аптымізацыі да кантролю на атамным і малекулярным узроўні. - Інавацыі працэсаў і скарачэнне выдаткаў
Распрацоўка маштабуемых, недарагіх нанакрэмніевых і кампазітных тэхналогій. - Поўная інтэграцыя ячэйкі
Сумесная распрацоўка з высоканікелевымі катодамі, перадавымі электралітамі і цвёрдацельнымі акумулятарамі. - Павелічэнне ўтрымання крэмнію
Паступовае павелічэнне ад 5–10% да крэмнію >20%, пры захаванні стабільнасці цыклу.
Заключэнне
Аснова тэхналогіі крэмніевых-вугляродных анодаў заключаецца ў “нанаструктураванні + кампазітаванні + структурнай інжынерыі”.”
Дзякуючы разумнаму спалучэнню звышвысокай ёмістасці крэмнію з буфернымі і праводзячымі функцыямі вугляроду, становіцца магчымым выкарыстоўваць перавагі крэмнію, адначасова знішчаючы яго ўласцівыя недахопы.
У цяперашні час кампазіты SiOₓ–C дасягнулі маштабнага камерцыялізацыі, у той час як нанакампазіты з крэмнію і вугляроду ўяўляюць сабой будучы кірунак для літый-іённых акумулятараў з яшчэ большай шчыльнасцю энергіі. Па меры ўдасканалення тэхналогій апрацоўкі і далейшага зніжэння выдаткаў крэмніевыя-вугляродныя аноды гатовыя стаць стандартнай канфігурацыяй у высокапрадукцыйных акумулятарах наступнага пакалення.
«Дзякуй за чытанне. Спадзяюся, мой артыкул будзе карысным. Калі ласка, пакіньце каментар ніжэй. Вы таксама можаце звязацца з прадстаўніком службы падтрымкі кліентаў Zelda онлайн, калі ў вас ёсць дадатковыя пытанні».
— Апублікавана Эмілі Чэн