En los últimos años, el rápido desarrollo de vehículos de nueva energía ha incrementado las exigencias en el rendimiento de las baterías. Los materiales tradicionales de ánodo a base de grafito tienen una baja capacidad específica y son difíciles de satisfacer. Silicio Tiene una capacidad específica teórica extremadamente alta, lo que puede mejorar eficazmente el rendimiento de la batería. Tiene un gran potencial de desarrollo como material para ánodos. El material de origen del silicio, la morfología de las partículas y los métodos de procesamiento influyen significativamente en el rendimiento de... electrodos negativos a base de silicio.
Echemos un vistazo a las fuentes de silicio de los electrodos negativos basados en silicio.
Diatomita, zeolita, arena y otras fuentes minerales de silicio
Mineral El silicio es la fuente de silicio más abundante y ampliamente distribuida en la actualidad. Existe principalmente en forma de óxidos y silicatos de silicio, como arena, zeolita, feldespato y arcilla. Los minerales de silicio tienen un alto contenido de silicio y propiedades como alta dureza, estabilidad térmica y químico Estabilidad. Algunos minerales de silicio contienen numerosos poros pequeños en su microestructura, lo que les confiere una gran superficie específica. Esto los hace adecuados para la preparación de materiales anódicos porosos a base de silicio.
Diatomita
La diatomita es un sedimento formado por la acumulación de diminutos restos de diatomeas provenientes de antiguos mares. Se encuentra ampliamente distribuida como una roca silícea con una alta capacidad de almacenamiento en la Tierra. El principal componente químico de la tierra de diatomeas es el SiO₂, con un contenido máximo de hasta 941TP₃T. Además, contiene trazas de impurezas metálicas y materia orgánica. El SiO₂ obtenido de la tierra de diatomeas presenta una buena estructura porosa. En comparación con las fuentes de silicio de biomasa, contiene menos carbono, pero su contenido de silicio es mayor. La estructura de sílice exhibe una estructura de red tridimensional única y altamente ordenada. Mediante una extracción y composición sencillas, los materiales porosos de nanosilicio se pueden utilizar para preparar ánodos a base de silicio.
Clinoptilolita
La clinoptilolita se compone principalmente de silicatos, con un alto contenido de silicio (57%–70%) y una compleja estructura de canales tipo jaula. Esta estructura es beneficiosa para la preparación de materiales de ánodo de silicio con porosidad uniforme. Los investigadores utilizan molienda mecánica para abrir los canales de transmisión internos de la clinoptilolita. Posteriormente, aplican calor para promover una reacción de reducción térmica del magnesio, extrayendo silicio elemental. Además, se utiliza el método de deposición de vapor para romper el tolueno en la superficie del nanosilicio, formando una película de carbono. Esto da como resultado una estructura esponjosa de materiales de electrodos negativos de silicio nanoporoso. Estos poros amortiguan eficazmente los cambios de volumen del ánodo de silicio durante los ciclos de carga y descarga. Esto garantiza la integridad mecánica del material, con ventajas como una preparación sencilla y una buena estabilidad cíclica.
Arena
El componente principal de la arena es el cuarzo, que ofrece ventajas como abundantes reservas, bajo costo y fácil extracción en comparación con otros minerales de silicio. Sin embargo, el dióxido de silicio presente en la arena está formado por un gran número de tetraedros de SiO₄ unidos a través de átomos de oxígeno compartidos, formando una sólida red de silicio-oxígeno. Esta estructura es muy estable y difícil de utilizar. Los investigadores utilizan NaCl para absorber el calor generado durante el proceso de reducción del magnesio, evitando la fusión de las partículas. El nanosilicio se extrae de la arena marina y la pirólisis a alta temperatura del acetileno se utiliza para obtener carbono. revestimiento sobre las partículas de silicio. Esto da como resultado materiales anódicos de silicio-carbono bien recubiertos.
Fuentes de silicio de biomasa como cáscaras de arroz y juncos
Las plantas ricas en silicio incluyen cáscaras de arrozjuncos, colas de caballo, hojas de té y bambú. El contenido de silicio varía entre las diferentes plantas. En la biomasa, el silicio se encuentra principalmente en forma de sílice libre en tallos, corteza y hojas. Se utilizan reacciones químicas para convertirlo en silicio poroso elemental. A continuación, se realiza un proceso de recubrimiento con carbono para preparar materiales de electrodos negativos a base de silicio.
La sílice presente en la biomasa, tras su reducción, conserva en gran medida su estructura porosa. Durante la preparación de ánodos de silicio, un proceso sencillo permite preservar su estructura porosa. Esto aumenta eficazmente el espacio interno del material, mitigando la expansión del volumen del silicio durante los ciclos de carga y descarga. El uso de biomasa como fuente de silicio para la preparación de materiales de electrodos negativos de silicio ofrece ventajas como su amplia disponibilidad y sostenibilidad. Se ajusta a los conceptos actuales de desarrollo con bajas emisiones de carbono y respetuoso con el medio ambiente, lo que la convierte en una fuente ideal de silicio.
La cascarilla de arroz es un subproducto del arroz, con más de 100 millones de toneladas producidas a nivel mundial cada año. Si bien su composición varía según la variedad y el origen, se compone principalmente de lignina, celulosa, hemicelulosa y sílice. Normalmente, la ceniza resultante tras la combustión de la cascarilla de arroz representa aproximadamente 201 TP₃T de su masa, con un contenido de sílice que oscila entre 87 y 971 TP₃T. Mediante métodos como la calcinación, el lavado, la eliminación de impurezas y las reacciones de reducción, se puede extraer silicio elemental de la cascarilla de arroz. La sílice presente en la cascarilla de arroz tiene una estructura porosa, y reacciones sencillas pueden producir nanosilicio poroso tridimensional. Al combinarse con carbono orgánico, se mejora el rendimiento electroquímico del material.
Además de la cascarilla de arroz, las cañas también son un buen material para ánodos a base de silicio. Presentan sílice a escala nanométrica ordenada y una estructura estratificada tridimensional en forma de escamas. Mediante una simple reacción de reducción térmica de magnesio, se puede obtener silicio tridimensional altamente poroso.
Silano y otras fuentes químicas de silicio gaseoso
Las fuentes de silicio gaseoso se utilizan comúnmente para la preparación de ánodos de silicio, incluyendo silano (SiH₄), triclorosilano (SiHCl₃) y tetracloruro de silicio (SiCl₄). Estas fuentes de silicio gaseoso pueden emplearse en técnicas de deposición en fase de vapor, como la CVD, para preparar nanosilicio en condiciones adecuadas. Entre ellas, el silano es la principal fuente de silicio gaseoso utilizada para la preparación de ánodos de silicio. El silano, un compuesto de silicio e hidrógeno, se utiliza principalmente en forma de metilsilano (SiH₄) para este fin. Normalmente, se emplea el método de deposición en fase de vapor, donde el silano se descompone para generar nanosilicio que se adhiere a un sustrato.
El recubrimiento de carbono se consigue mediante la descomposición de gases que contienen carbono, dando lugar a materiales de ánodo de silicio-carbono.
Las fuentes de silicio gaseoso son adecuadas para la preparación de materiales anódicos de silicio-carbono de nueva generación. Al producir nanopartículas de silicio más pequeñas y modificar la superficie, solucionan eficazmente el problema de la expansión de volumen durante el uso real. Sin embargo, las fuentes de silicio gaseoso (como el silano) son altamente inestables, inflamables y tóxicas. Por lo tanto, se requiere un control estricto de la temperatura, la presión y el flujo de gas durante la preparación y el uso para garantizar la seguridad y la estabilidad. Esto conlleva mayores requisitos para los equipos de producción, el control de procesos y un aumento de los costos de producción.
Residuos de silicio fotovoltaico y otros materiales de desecho
El silicio fotovoltaico suele requerir corte y conformación durante su fabricación, lo que genera residuos de silicio provenientes de los restos de bordes y esquinas. Con el uso generalizado del silicio fotovoltaico, la generación de residuos de silicio ha aumentado año tras año. Estos residuos son económicos y fáciles de conseguir, con una pureza relativamente alta y un bajo contenido de impurezas. Son adecuados para la preparación de materiales anódicos a base de silicio.
Para abordar los problemas de los complejos procesos de preparación y los altos costos de los materiales, los investigadores han utilizado residuos de silicio de corte fotovoltaico industrial como fuente de silicio. Mediante molienda de bolas de alta energía, el silicio se reduce a tamaño nanométrico. Posteriormente, se utiliza sacarosa como fuente de carbono para recubrir el nanosilicio, lo que da como resultado materiales anódicos de microesferas de Si@C. Este enfoque reduce los costos de material y simplifica el proceso de preparación. El diseño de la estructura de recubrimiento encapsula el nanosilicio en su interior, evitando el contacto directo con el electrolito y reduciendo su consumo. El nanosilicio experimenta fluctuaciones de volumen dentro de las esferas de carbono, manteniendo un buen contacto con el material de carbono y permitiendo un rápido transporte de iones de litio.
El vidrio de cuarzo reciclado, tras su tratamiento, también puede producir materiales de ánodo de silicio con un rendimiento cíclico estable. Los investigadores utilizaron vidrio roto desechado y, mediante reducción térmica con magnesio, obtuvieron directamente una red de interconexión de silicio. Tras recubrir la superficie con material de carbono, el material se ensambló para formar una batería. A una densidad de corriente C/2, tras 400 ciclos, la capacidad se mantuvo en 1420 mAh/g. El recubrimiento de carbono de la superficie presenta limitaciones que restringen la expansión del silicio, lo cual es una de las principales causas de la pérdida significativa de capacidad en los ciclos iniciales. Sin embargo, la estructura conservada tras el tratamiento del vidrio proporciona una excelente capacidad antiexpansiva, alcanzando una tasa de retención de capacidad de hasta 74%.
Conclusión
En conclusión, el silicio presente en los ánodos de silicio proviene de diversas fuentes. Puede obtenerse de minerales, plantas, residuos y silicio gaseoso. Gracias a los avances tecnológicos, el uso de estas fuentes de silicio se está volviendo más eficiente y sostenible. Estas diversas fuentes de silicio ofrecen diversas opciones para el desarrollo de materiales para ánodos de silicio. Esto tiene el potencial de impulsar el desarrollo de tecnologías de baterías de mayor rendimiento.
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