Bahan anod silikon-karbon (Si-C) dianggap sebagai salah satu teknologi teras yang membolehkan bateri litium-ion berketumpatan tenaga tinggi generasi akan datang. Ia direka bentuk untuk mengatasi batasan intrinsik anod grafit konvensional, yang kapasiti khusus teorinya hanya 372 mAh/g, dan untuk membolehkan lonjakan besar dalam ketumpatan tenaga bateri.
I. Mengapa Memilih Silikon? Mengapa Ia Mesti Komposit?
Kelebihan Silikon yang Cemerlang
- Kapasiti teori ultra tinggi
Silikon tulen mempunyai kapasiti khusus teori kira-kira 4200 mAh/g, lebih daripada sepuluh kali ganda daripada grafit. - Potensi penyisipan litium yang sesuai
Sedikit lebih tinggi daripada grafit, menawarkan keselamatan yang lebih baik dan risiko penyaduran litium yang lebih rendah. - Sumber yang banyak dan mesra alam
Silikon boleh didapati secara meluas dan tidak memudaratkan alam sekitar.
Kelemahan Kritikal Silikon (“Tumit Achilles’)
- Zarah yang teruk penghancuran
Keretakan mekanikal semasa kitaran menyebabkan kehilangan sentuhan elektrik dan pemisahan daripada pengumpul arus. - Antarafasa elektrolit pepejal (SEI) yang tidak stabil
Pecahan dan penjanaan semula lapisan SEI yang berterusan menggunakan elektrolit dan litium, mengakibatkan kecekapan Coulombic yang rendah dan pudar kapasiti yang cepat. - Pengembangan volum yang melampau
Silikon boleh menjalani lebih daripada Pengembangan volum 300% semasa litiasi, yang menyebabkan:- Keruntuhan struktur
- Keretakan elektrod
- Kehilangan kekonduksian elektronik
- Kekonduksian elektrik intrinsik yang lemah
Jauh lebih rendah daripada grafit.
Peranan "Karbon"“
- Matriks penimbal mekanikal
Bahan karbon fleksibel (karbon amorfus, grafit, grafen, dll.) menampung perubahan isipadu silikon dan mencegah kegagalan struktur. - Pembentukan rangkaian konduktif
Karbon meningkatkan kekonduksian elektrik keseluruhan komposit dengan ketara. - Penstabilan SEI
SEI yang lebih stabil terbentuk pada permukaan karbon, mengehadkan sentuhan langsung yang berlebihan antara silikon dan elektrolit.
Oleh itu, reka bentuk komposit silikon-karbon merupakan laluan teknologi yang tidak dapat dielakkan untuk mengimbangi kapasiti ultra tinggi dengan hayat kitaran yang panjang.
Laluan Proses Komposit Silikon-Karbon Arus Perdana
Konsep terasnya adalah untuk merekayasa seni bina silikon-karbon pada skala nano untuk mengurangkan tekanan mekanikal semasa kitaran.
Struktur Teras-Cangkerang (Salutan)
Konsep:
Zarah-zarah silikon dikapsulkan oleh cangkerang karbon yang seragam.
Proses:
Zarah nano-silikon atau silikon oksida disalut dengan karbon melalui kimia pemendapan wap (CVD), pirolisis polimer atau fasa cecair salutan.
ciri-ciri:
- Cangkang karbon menyediakan laluan pengaliran elektronik berterusan
- Menyekat pengembangan isipadu silikon ke luar
- Mengasingkan silikon daripada serangan elektrolit langsung
- Meningkatkan kestabilan kitaran dan kecekapan Coulombic
- Kawalan ketebalan karbon yang tepat adalah penting
Struktur Tertanam / Tersebar
Konsep:
Nanopartikel silikon tersebar secara seragam dalam matriks karbon berterusan, sama seperti "kismis yang terbenam dalam roti."“
Proses:
Nano-silikon (<100 nm) dicampurkan dengan prekursor karbon (resin, pic, dll.), diikuti dengan pengkarbonan untuk membentuk matriks komposit.
ciri-ciri:
- Matriks karbon bertindak sebagai fasa penyerap tegasan berterusan
- Mencegah penggumpalan silikon
- Meningkatkan integriti mekanikal elektrod
- Kapasiti sederhana dengan prestasi berbasikal jangka panjang yang lebih baik
- Agak boleh diskala dan kos efektif
Struktur Berliang / Kerangka Kerja
Konsep:
Kerangka karbon berliang yang tegar menyediakan ruang lompang dalaman untuk menampung pengembangan silikon.
Proses:
Bahan karbon berliang (nanotube karbon, aerogel grafena, karbon diaktifkan) disediakan terlebih dahulu, diikuti dengan pemendapan atau penyusupan silikon (contohnya, CVD).
ciri-ciri:
- Isipadu lompang dalaman yang besar berkesan menampan pengembangan
- Kestabilan struktur yang kukuh
- Laluan pengangkutan litium-ion dan elektron yang sangat baik
- Keupayaan kadar tinggi
- Fabrikasi yang kompleks dan kos yang lebih tinggi
Struktur Jenis Berikat (Silikon Oksida–Karbon, SiOₓ–C)
(Pada masa ini Laluan Paling Perindustrian)
Konsep:
Silikon monoksida (SiOₓ) membentuk komposit penimbal kendiri semasa litiasi.
Ciri-ciri Bahan:
Setelah proses litiasi, SiOₓ membentuk:
- Nanodomain silikon aktif
- Fasa litium silikat/litium oksida tidak aktif bertindak sebagai penimbal dalaman
Proses:
Zarah SiOₓ dicampurkan dengan sumber karbon (pic, resin), digranulkan dan dikarbonkan untuk membentuk zarah sekunder dengan ikatan dan salutan karbon.
ciri-ciri:
- Kestabilan kitaran yang unggul berbanding silikon tulen
- Kecekapan Coulombic kitaran pertama yang lebih rendah (memerlukan pra-litiasi)
- Integriti struktur yang sangat baik
- Digunakan secara meluas dalam bateri berkuasa tinggi (contohnya, sel Tesla 4680)
- Teknologi anod berasaskan silikon komersial yang paling matang pada masa ini
Teknologi Persediaan Utama
Pemendapan Wap Kimia (CVD)
Aplikasi:
- Salutan karbon pada zarah silikon
- Pemendapan silikon dalam rangka karbon berliang
Kawalan Utama:
- Suhu
- Aliran gas sumber karbon (metana, etilena, dll.)
- Masa pemendapan
- Ketebalan lapisan karbon dan darjah grafitisasi
Mekanikal Bertenaga Tinggi Pengilangan Bola
Aplikasi:
- Pengadunan fizikal silikon skala mikron dengan grafit atau karbon hitam
- Penapisan zarah awal dan pembentukan komposit
Kawalan Utama:
- Masa dan keamatan penggilingan
- Kawalan suasana
- Pencegahan pencemaran dan amorfisasi berlebihan
Pengeringan Semburan dan Pirolisis
Aplikasi:
- Pembentukan mikrosfera sekunder silikon-karbon seragam
Proses:
Nanopartikel silikon dan prekursor karbon (contohnya, sukrosa, polimer) dikeringkan dengan semburan dan kemudian dikarbonkan.
Kawalan Utama:
- Pemilihan prekursor
- Saiz titisan
- Keadaan penguraian terma
Teknologi Pra-Litiasi (Proses Sokongan Kritikal)
Tujuan:
Untuk mengimbangi kehilangan litium yang tidak dapat dipulihkan semasa pembentukan SEI awal dan meningkatkan kecekapan Coulombic kitaran pertama.
Kaedah:
- Pra-litiasi anod langsung (sentuhan kerajang litium, serbuk logam litium yang distabilkan – SLMP)
- Pampasan litium katod (bahan tambahan kaya litium)
Kepentingan:
Pra-litiasi merupakan faktor penentu bagi daya maju komersial anod silikon-karbon.
Cabaran Teknikal dan Trend Pembangunan
Cabaran Semasa
- Kos yang tinggi
Nano-silikon, sintesis SiOₓ dan proses komposit yang kompleks meningkatkan kos pengeluaran. - Pertukaran antara kecekapan kitaran pertama dan hayat kitaran
- Had ketumpatan tenaga volumetrik
Ketumpatan paip yang rendah dan akomodasi pengembangan mengurangkan keuntungan volumetrik yang praktikal. - Keserasian elektrolit
Bahan tambahan elektrolit khusus diperlukan untuk membentuk lapisan SEI yang teguh.
Trend Pembangunan Masa Depan
- Reka bentuk bahan lanjutan
Peralihan daripada pengoptimuman mikrostruktur kepada kawalan peringkat atom dan molekul. - Inovasi proses dan pengurangan kos
Pembangunan teknologi nano-silikon dan komposit yang boleh diskala dan berkos rendah. - Integrasi sistem sel penuh
Pembangunan bersama dengan katod nikel tinggi, elektrolit termaju dan bateri keadaan pepejal. - Meningkatkan kandungan silikon
Peningkatan secara beransur-ansur daripada 5–10% ke arah silikon >20%, sambil mengekalkan kestabilan kitaran.
Kesimpulan
Teras teknologi anod silikon-karbon terletak pada "penstrukturan nano + pengkomposan + kejuruteraan struktur."“
Dengan menggabungkan kapasiti ultra tinggi silikon secara bijak dengan fungsi penimbal dan konduktif karbon, adalah mungkin untuk memanfaatkan kelebihan silikon sambil menekan kekurangan intrinsiknya.
Pada masa ini, komposit SiOₓ–C telah mencapai pengkomersialan berskala besar, manakala komposit nano-silikon-karbon mewakili hala tuju masa depan untuk bateri litium-ion ketumpatan tenaga yang lebih tinggi. Apabila teknologi pemprosesan matang dan kos terus menurun, anod silikon-karbon bersedia untuk menjadi konfigurasi standard dalam bateri berprestasi tinggi generasi akan datang.
"Terima kasih kerana membaca. Saya harap artikel saya membantu. Sila tinggalkan komen di bawah. Anda juga boleh menghubungi wakil pelanggan dalam talian Zelda untuk sebarang pertanyaan lanjut."
- Dihantar oleh Emily Chen