Negli ultimi anni, il rapido sviluppo di veicoli a nuova energia ha aumentato la domanda di batterie ad alte prestazioni. I tradizionali materiali anodici a base di grafite hanno una bassa capacità specifica e sono difficili da soddisfare. Silicio Ha una capacità specifica teorica estremamente elevata, che può migliorare efficacemente le prestazioni della batteria. Ha un grande potenziale di sviluppo come materiale per anodi. Il materiale di origine in silicio, la morfologia delle particelle e i metodi di lavorazione influenzano significativamente le prestazioni di elettrodi negativi a base di silicio.
Diamo un'occhiata alle fonti di silicio degli elettrodi negativi a base di silicio.
Diatomite, zeolite, sabbia e altre fonti minerali di silicio
Minerale Il silicio è oggi la fonte di silicio più abbondante e ampiamente distribuita. Esiste principalmente sotto forma di ossidi di silicio e silicati, come sabbia, zeolite, feldspato e argilla. I minerali di silicio hanno un alto contenuto di silicio e proprietà come elevata durezza, stabilità termica e chimico Stabilità. Alcuni minerali di silicio contengono numerosi piccoli pori nella loro microstruttura, che conferiscono loro un'ampia superficie specifica. Questo li rende adatti alla preparazione di materiali anodici porosi a base di silicio.
Diatomite
La diatomite è un sedimento formato dall'accumulo di minuscoli resti di diatomee provenienti da antichi mari. È ampiamente distribuita sulla Terra come roccia silicea con un'elevata capacità di accumulo. Il principale componente chimico della terra di diatomee è la SiO₂, con un contenuto massimo fino a 941TP₂T. Inoltre, contiene tracce di impurità metalliche e materia organica. La SiO₂ ottenuta dalla terra di diatomee ha una buona struttura porosa. Rispetto alle fonti di silicio da biomassa, contiene meno carbonio, ma il suo contenuto di silicio è maggiore. La struttura della silice presenta una struttura reticolare tridimensionale unica e altamente ordinata. Attraverso una semplice estrazione e miscelazione, i materiali porosi in nanosilicio possono essere utilizzati per preparare anodi a base di silicio.
Clinoptilolite
La clinoptilolite è composta principalmente da silicati, con un elevato contenuto di silicio (57%–70%) e una complessa struttura a canale a gabbia. Questa struttura è vantaggiosa per la preparazione di materiali anodici a base di silicio uniformemente porosi. I ricercatori utilizzano la macinazione meccanica per aprire i canali di trasmissione interni della clinoptilolite. Quindi applicano calore per promuovere una reazione di riduzione termica del magnesio, estraendo il silicio elementare. Inoltre, il metodo di deposizione da vapore viene utilizzato per rompere il toluene sulla superficie del nanosilicio, formando un film di carbonio. Ciò si traduce in una struttura spugnosa di materiali per elettrodi negativi a base di silicio nanoporoso. Questi pori tamponano efficacemente le variazioni di volume dell'anodo a base di silicio durante i cicli di carica e scarica. Ciò garantisce l'integrità meccanica del materiale, con vantaggi quali la semplicità di preparazione e la buona stabilità dei cicli.
Sabbia
Il componente principale della sabbia è il quarzo, che presenta vantaggi quali abbondanti riserve, basso costo e facilità di estrazione rispetto ad altri minerali di silicio. Tuttavia, il biossido di silicio presente nella sabbia è formato da un gran numero di tetraedri di SiO4 legati da atomi di ossigeno condivisi, formando una solida rete silicio-ossigeno. Questa struttura è altamente stabile e difficile da utilizzare. I ricercatori utilizzano NaCl per assorbire il calore generato durante il processo di riduzione del magnesio, impedendo la fusione delle particelle. Il nanosilicio viene estratto dalla sabbia marina e la pirolisi ad alta temperatura dell'acetilene viene utilizzata per ottenere carbonio. rivestimento sulle particelle di silicio. Ciò si traduce in materiali anodici in silicio-carbonio ben rivestiti.
Fonti di silicio da biomassa come lolla di riso e canne
Le piante ricche di silicio includono lolla di riso, canne, equiseti, foglie di tè e bambù. Il contenuto di silicio varia tra le diverse piante. Nella biomassa, il silicio è presente principalmente come silice libera in steli, cortecce e foglie. Le reazioni chimiche vengono utilizzate per convertirlo in silicio poroso elementare. Segue un processo di rivestimento in carbonio per preparare materiali per elettrodi negativi a base di silicio.
La silice presente nella biomassa, dopo la riduzione, può mantenere in gran parte la sua struttura porosa. Durante la preparazione di anodi a base di silicio, un semplice processo può preservarne la struttura porosa. Questo aumenta efficacemente lo spazio interno del materiale, attenuando l'espansione del volume del silicio durante i cicli di carica e scarica. L'utilizzo della biomassa come fonte di silicio per la preparazione di materiali per elettrodi negativi a base di silicio presenta vantaggi quali ampia disponibilità e sostenibilità. È in linea con gli attuali concetti di sviluppo a basse emissioni di carbonio e rispettoso dell'ambiente, rendendola una fonte di silicio ideale.
La lolla di riso è un sottoprodotto del riso, con oltre 100 milioni di tonnellate prodotte a livello globale ogni anno. Sebbene la composizione della lolla di riso vari a seconda della varietà e dell'origine, è costituita principalmente da lignina, cellulosa, emicellulosa e silice. In genere, la cenere rimanente dopo la combustione della lolla di riso rappresenta circa 201 TP3T della massa della lolla, con un contenuto di silice che raggiunge 87-971 TP3T. Attraverso metodi come calcinazione, lavaggio, rimozione delle impurità e reazioni di riduzione, è possibile estrarre il silicio elementare dalla lolla di riso. La silice presente nella lolla di riso ha una struttura porosa e semplici reazioni possono produrre nanosilicio poroso tridimensionale. In combinazione con carbonio organico, questo migliora le prestazioni elettrochimiche del materiale.
Oltre alla lolla di riso, anche le canne sono un buon materiale anodico a base di silicio. Presentano silice nanometrica ordinata e una struttura a strati tridimensionali simili a fiocchi. Utilizzando una semplice reazione di riduzione termica del magnesio, si può ottenere silicio tridimensionale altamente poroso.
Silano e altre fonti chimiche di silicio gassoso
Le sorgenti di silicio gassoso sono comunemente utilizzate per la preparazione di anodi a base di silicio, tra cui silano (SiH4), triclorosilano (SiHCl3) e tetracloruro di silicio (SiCl4). Queste sorgenti di silicio gassoso possono essere utilizzate in tecniche di deposizione da vapore come la CVD per preparare nanosilicio in condizioni appropriate. Tra queste, il silano è la principale sorgente di silicio gassoso utilizzata per la preparazione di anodi a base di silicio. Il silano, un composto silicio-idrogeno, viene utilizzato principalmente sotto forma di metilsilano (SiH4) per questo scopo. Tipicamente, viene impiegato il metodo di deposizione da vapore, in cui il silano subisce una decomposizione per generare nanosilicio che aderisce a un substrato.
Il rivestimento in carbonio viene poi ottenuto decomponendo i gas contenenti carbonio, dando origine a materiali anodici in silicio-carbonio.
Le sorgenti di silicio gassoso sono adatte alla preparazione di materiali anodici in silicio-carbonio di nuova generazione. Producendo particelle di nanosilicio più piccole e modificando la superficie, risolvono efficacemente il problema dell'espansione di volume durante l'uso effettivo. Tuttavia, le sorgenti di silicio gassoso (come il silano) sono altamente instabili, infiammabili e tossiche. Pertanto, è necessario un rigoroso controllo di temperatura, pressione e flusso di gas durante la preparazione e l'uso per garantire sicurezza e stabilità. Ciò comporta requisiti più elevati per le apparecchiature di produzione, il controllo di processo e un aumento dei costi di produzione.
Rifiuti di silicio fotovoltaico e altri materiali di scarto
Il silicio fotovoltaico richiede spesso taglio e sagomatura durante il processo di produzione, con conseguente produzione di scarti di silicio derivanti da scarti di bordi e angoli. Con l'uso diffuso del silicio fotovoltaico, la produzione di scarti di silicio è aumentata di anno in anno. Gli scarti di silicio sono economici e facilmente reperibili, con una purezza relativamente elevata e un basso contenuto di impurità. Sono adatti alla preparazione di materiali anodici a base di silicio.
Per affrontare i problemi dei complessi processi di preparazione e degli elevati costi dei materiali, i ricercatori hanno utilizzato gli scarti di silicio derivanti dal taglio fotovoltaico industriale come fonte di silicio. Attraverso la macinazione a sfere ad alta energia, il silicio viene ridotto a dimensioni nanometriche. Successivamente, il saccarosio viene utilizzato come fonte di carbonio per rivestire il nanosilicio, ottenendo materiali anodici a microsfere di Si@C. Questo approccio riduce i costi dei materiali e semplifica il processo di preparazione. Il design della struttura di rivestimento incapsula il nanosilicio al suo interno, impedendo il contatto diretto con l'elettrolita e riducendone il consumo. Il nanosilicio subisce fluttuazioni di volume all'interno delle sfere di carbonio, mantenendo un buon contatto con il materiale di carbonio e consentendo un rapido trasporto degli ioni di litio.
Il vetro di quarzo riciclato, dopo il trattamento, può anche produrre materiali anodici in silicio con prestazioni cicliche stabili. I ricercatori hanno utilizzato vetri rotti di scarto e, attraverso la riduzione termica del magnesio, hanno ottenuto direttamente una rete di interconnessioni al silicio. Dopo il rivestimento superficiale con materiale in carbonio, il materiale è stato assemblato in una batteria. A una densità di corrente C/2, dopo 400 cicli, la capacità è rimasta a 1420 mAh/g. Il rivestimento in carbonio sulla superficie presenta delle limitazioni nel limitare l'espansione del materiale in silicio, che è una delle cause principali della significativa perdita di capacità nei cicli iniziali. Tuttavia, la struttura mantenuta dopo il trattamento del vetro offre un'eccellente capacità anti-espansione, raggiungendo un tasso di ritenzione della capacità fino a 74%.
Conclusione
In conclusione, il "silicio" presente negli anodi a base di silicio proviene da diverse fonti. Può essere ottenuto da minerali, piante, materiali di scarto e fonti di silicio gassoso. Con i progressi tecnologici, l'utilizzo di queste fonti di silicio sta diventando più efficiente e sostenibile. Queste diverse fonti di silicio offrono diverse opzioni per lo sviluppo di materiali anodici a base di silicio. Ciò ha il potenziale per guidare lo sviluppo di tecnologie per batterie ad alte prestazioni.
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