Ces dernières années, le développement rapide des véhicules à énergie nouvelle a accru les exigences en matière de performances des batteries. Les matériaux d'anode traditionnels à base de graphite ont une faible capacité spécifique et peinent à répondre à cette demande. Silicium Il possède une capacité spécifique théorique extrêmement élevée, ce qui peut améliorer efficacement les performances des batteries. Il présente un fort potentiel de développement comme matériau d'anode. Le silicium source, la morphologie des particules et les méthodes de traitement ont un impact significatif sur les performances du silicium. électrodes négatives à base de silicium.
Jetons un œil aux sources de silicium des électrodes négatives à base de silicium.
Diatomite, zéolite, sable et autres sources de silicium minéral
Minéral Le silicium est aujourd'hui la source de silicium la plus abondante et la plus répandue. Il existe principalement sous forme d'oxydes et de silicates de silicium, tels que le sable, la zéolite, le feldspath et l'argile. Les minéraux de silicium présentent une teneur élevée en silicium et des propriétés telles qu'une dureté élevée, une stabilité thermique et une excellente conductivité thermique. chimique Stabilité. Certains minéraux de silicium contiennent de nombreux petits pores dans leur microstructure, ce qui leur confère une grande surface spécifique. Ils conviennent donc parfaitement à la préparation de matériaux anodiques poreux à base de silicium.
diatomite
La diatomite est un sédiment formé par l'accumulation de minuscules restes de diatomées provenant d'anciennes mers. Largement répandue sur Terre, elle est une roche siliceuse à forte capacité de stockage. Son principal composant chimique est le SiO₂, dont la teneur maximale peut atteindre 941TP₃T. De plus, elle contient des traces d'impuretés métalliques et de matière organique. Le SiO₂ issu de la terre de diatomées présente une bonne structure poreuse. Comparé aux sources de silicium issues de la biomasse, il contient moins de carbone, mais sa teneur en silicium est plus élevée. La structure de la silice présente un réseau 3D unique et hautement ordonné. Grâce à une extraction et un compoundage simples, des matériaux poreux en nano-silicium peuvent être utilisés pour préparer des anodes à base de silicium.
Clinoptilolite
La clinoptilolite est principalement composée de silicates, à forte teneur en silicium (57%–70%) et présente une structure complexe en forme de cage. Cette structure est avantageuse pour la préparation de matériaux d'anode à base de silicium à porosité uniforme. Les chercheurs utilisent un broyage mécanique pour ouvrir les canaux de transmission internes de la clinoptilolite. Ils appliquent ensuite de la chaleur pour favoriser une réaction de réduction thermique du magnésium, extrayant ainsi le silicium élémentaire. De plus, la méthode de dépôt en phase vapeur est utilisée pour craquer le toluène à la surface du nano-silicium, formant ainsi un film de carbone. Il en résulte une structure spongieuse pour les matériaux d'électrodes négatives à base de silicium nanoporeux. Ces pores amortissent efficacement les variations de volume de l'anode à base de silicium pendant les cycles de charge et de décharge. Cela garantit l'intégrité mécanique du matériau, avec des avantages tels qu'une préparation simple et une bonne stabilité aux cycles.
Sable
Le quartz est le principal composant du sable, qui présente des avantages tels que des réserves abondantes, un faible coût et une extraction facile par rapport aux autres minerais de silicium. Cependant, le dioxyde de silicium présent dans le sable est constitué d'un grand nombre de tétraèdres SiO4 liés par des atomes d'oxygène communs, formant un solide réseau silicium-oxygène. Cette structure est très stable et difficile à exploiter. Les chercheurs utilisent du NaCl pour absorber la chaleur générée lors du processus de réduction du magnésium, empêchant ainsi la fusion des particules. Le nanosilicium est extrait du sable marin, et la pyrolyse à haute température de l'acétylène permet d'obtenir du carbone. revêtement sur les particules de silicium. Cela permet d'obtenir des matériaux d'anode silicium-carbone bien enrobés.
Sources de silicium de la biomasse telles que les balles de riz et les roseaux
Les plantes riches en silicium comprennent balles de riz, roseaux, prêles, feuilles de thé et bambou. La teneur en silicium varie selon les plantes. Dans la biomasse, le silicium est principalement présent sous forme de silice libre dans les tiges, l'écorce et les feuilles. Des réactions chimiques permettent de le convertir en silicium poreux élémentaire. Cette étape est suivie d'un processus de revêtement de carbone pour préparer des matériaux d'électrodes négatives à base de silicium.
Après réduction, la silice présente dans la biomasse conserve en grande partie sa structure poreuse. Lors de la préparation des anodes à base de silicium, un procédé simple permet de préserver sa structure poreuse. Cela permet d'augmenter efficacement l'espace interne du matériau, atténuant ainsi l'expansion volumique du silicium lors des cycles de charge et de décharge. L'utilisation de la biomasse comme source de silicium pour la préparation de matériaux d'électrodes négatives à base de silicium présente des avantages tels qu'une grande disponibilité et une durabilité accrue. Elle s'inscrit dans les concepts actuels de développement bas carbone et respectueux de l'environnement, ce qui en fait une source de silicium idéale.
La balle de riz est un sous-produit du riz, produit chaque année dans le monde à plus de 100 millions de tonnes. Bien que sa composition varie selon la variété et l'origine, elle se compose principalement de lignine, de cellulose, d'hémicellulose et de silice. En général, les cendres résiduelles après la combustion de la balle de riz représentent environ 20% de la masse de la balle, avec une teneur en silice atteignant 87 à 97%. Grâce à des méthodes telles que la calcination, le lavage, l'élimination des impuretés et les réactions de réduction, le silicium élémentaire peut être extrait de la balle de riz. La silice présente dans la balle de riz présente une structure poreuse, et des réactions simples peuvent produire du nanosilicium poreux 3D. Associé au carbone organique, ce matériau améliore ses performances électrochimiques.
Outre les balles de riz, les roseaux constituent également un excellent matériau d'anode à base de silicium. Ils sont composés de silice nanométrique ordonnée et présentent une structure stratifiée 3D en forme de paillettes. Une simple réaction de réduction thermique du magnésium permet d'obtenir du silicium 3D hautement poreux.
Silane et autres sources de gaz chimiques de silicium
Les sources de silicium gazeux sont couramment utilisées pour la préparation d'anodes à base de silicium, notamment le silane (SiH4), le trichlorosilane (SiHCl3) et le tétrachlorure de silicium (SiCl4). Ces sources de silicium gazeux peuvent être utilisées dans des techniques de dépôt en phase vapeur comme le CVD pour préparer du nano-silicium dans des conditions appropriées. Parmi elles, le silane est la principale source de silicium gazeux utilisée pour la préparation d'anodes à base de silicium. Le silane, un composé silicium-hydrogène, est principalement utilisé à cette fin sous forme de méthylsilane (SiH4). La méthode de dépôt en phase vapeur est généralement employée, où le silane se décompose pour générer du nano-silicium adhérant à un substrat.
Le revêtement en carbone est ensuite obtenu en décomposant les gaz contenant du carbone, ce qui donne des matériaux d'anode en silicium-carbone.
Les sources de silicium gazeux conviennent à la préparation de matériaux d'anode silicium-carbone de nouvelle génération. Grâce à la production de nanoparticules de silicium plus petites et à des modifications de surface, elles résolvent efficacement le problème de dilatation volumique lors de l'utilisation. Cependant, les sources de silicium gazeux (comme le silane) sont très instables, inflammables et toxiques. Par conséquent, un contrôle strict de la température, de la pression et du débit de gaz est nécessaire lors de la préparation et de l'utilisation afin de garantir la sécurité et la stabilité. Cela entraîne des exigences plus élevées en matière d'équipements de production, de contrôle des procédés et d'augmentation des coûts de production.
Déchets de silicium photovoltaïque et autres déchets
Le silicium photovoltaïque nécessite souvent des opérations de découpe et de mise en forme lors de sa fabrication, ce qui génère des déchets de silicium provenant des chutes de bords et d'angles. Avec l'utilisation généralisée du silicium photovoltaïque, la production de déchets de silicium augmente d'année en année. Les déchets de silicium sont peu coûteux et facilement disponibles, avec une pureté relativement élevée et une faible teneur en impuretés. Ils conviennent à la préparation de matériaux d'anode à base de silicium.
Pour répondre aux problèmes liés à la complexité des procédés de préparation et au coût élevé des matériaux, les chercheurs ont utilisé des déchets de silicium issus de la découpe photovoltaïque industrielle comme source de silicium. Grâce à un broyage à billes à haute énergie, le silicium est réduit à l'échelle nanométrique. Le saccharose est ensuite utilisé comme source de carbone pour enrober le nano-silicium, ce qui permet d'obtenir des matériaux d'anode à base de microsphères Si@C. Cette approche réduit les coûts des matériaux et simplifie le processus de préparation. La structure du revêtement encapsule le nano-silicium à l'intérieur, empêchant ainsi tout contact direct avec l'électrolyte et réduisant ainsi sa consommation. Le nano-silicium subit des fluctuations de volume au sein des sphères de carbone, maintenant ainsi un bon contact avec le matériau carboné et permettant un transport rapide des ions lithium.
Après traitement, le verre de quartz recyclé peut également produire des anodes en silicium offrant des performances de cyclage stables. Les chercheurs ont utilisé du verre brisé mis au rebut et, par réduction thermique au magnésium, ont obtenu directement un réseau d'interconnexions en silicium. Après revêtement de surface avec du carbone, le matériau a été assemblé pour former une batterie. À une densité de courant de C/2, après 400 cycles, la capacité est restée à 1 420 mAh/g. Le revêtement de carbone en surface présente des limites pour limiter la dilatation du silicium, ce qui est l'une des principales raisons de la perte de capacité importante lors des premiers cycles. Cependant, la structure conservée après traitement du verre offre une excellente résistance à la dilatation, atteignant un taux de rétention de capacité allant jusqu'à 74%.
Conclusion
En conclusion, le silicium des anodes à base de silicium provient de diverses sources. Il peut être obtenu à partir de minéraux, de plantes, de déchets et de sources de silicium gazeux. Grâce aux progrès technologiques, l'utilisation de ces sources de silicium devient plus efficace et durable. Ces diverses sources de silicium offrent diverses options pour le développement de matériaux d'anode à base de silicium. Ceci pourrait favoriser le développement de technologies de batteries plus performantes.
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