De snelle ontwikkeling van nieuwe energievoertuigen heeft de afgelopen jaren geleid tot hogere eisen aan de prestaties van batterijen. Traditionele anodematerialen op basis van grafiet hebben een lage specifieke capaciteit en zijn moeilijk te voldoen aan de vraag. Silicium heeft een extreem hoge theoretische specifieke capaciteit, wat de batterijprestaties effectief kan verbeteren. Het heeft een groot potentieel voor ontwikkeling als anodemateriaal. Het siliciumbronmateriaal, de deeltjesmorfologie en de verwerkingsmethoden hebben een aanzienlijke invloed op de prestaties van negatieve elektroden op basis van silicium.
Laten we eens kijken naar de siliciumbronnen van op silicium gebaseerde negatieve elektroden.
Diatomeeënaarde, zeoliet, zand en andere minerale siliciumbronnen
Mineraal Silicium is momenteel de meest voorkomende en wijdverspreide siliciumbron. Het bestaat voornamelijk in de vorm van siliciumoxiden en silicaten, zoals zand, zeoliet, veldspaat en klei. Siliciummineralen hebben een hoog siliciumgehalte en eigenschappen zoals hoge hardheid, thermische stabiliteit en chemisch Stabiliteit. Sommige siliciummineralen bevatten talrijke kleine poriën in hun microstructuur, waardoor ze een groot specifiek oppervlak hebben. Dit maakt ze geschikt voor de bereiding van poreuze anodematerialen op basis van silicium.
Diatomiet
Diatomeeënaarde is een sediment dat gevormd wordt door de ophoping van kleine diatomeeënresten uit oude zeeën. Het is wijdverspreid als een siliciumgesteente met een hoge opslagcapaciteit op aarde. De belangrijkste chemische component van diatomeeënaarde is SiO2, met een maximaal gehalte tot 94%. Daarnaast bevat het sporen van metaalverontreinigingen en organisch materiaal. De SiO2 die uit diatomeeënaarde wordt gewonnen, heeft een goede poreuze structuur. Vergeleken met biomassa-siliciumbronnen bevat het minder koolstof, maar is het siliciumgehalte hoger. De silicastructuur vertoont een unieke, sterk geordende 3D-netwerkstructuur. Door eenvoudige extractie en compoundering kunnen poreuze nanosiliciummaterialen worden gebruikt om anoden op basis van silicium te vervaardigen.
Clinoptiloliet
Clinoptiloliet bestaat voornamelijk uit silicaten met een hoog siliciumgehalte (57%–70%) en een complexe kooiachtige kanaalstructuur. Deze structuur is gunstig voor de bereiding van uniform poreuze anodematerialen op basis van silicium. Onderzoekers gebruiken mechanisch slijpen om de interne transmissiekanalen van clinoptiloliet te openen. Vervolgens brengen ze warmte aan om een thermische reductiereactie van magnesium te bevorderen, waarbij elementair silicium wordt geëxtraheerd. Verder wordt de dampdepositiemethode gebruikt om tolueen op het oppervlak van nanosilicium te kraken, waardoor een koolstoffilm ontstaat. Dit resulteert in een sponsachtige structuur van nanoporeuze materialen met negatieve elektroden op basis van silicium. Deze poriën bufferen effectief de volumeveranderingen van de siliciumanode tijdens laad- en ontlaadcycli. Dit garandeert de mechanische integriteit van het materiaal, met voordelen zoals eenvoudige bereiding en goede cyclusstabiliteit.
Zand
Het hoofdbestanddeel van zand is kwarts, dat voordelen biedt zoals overvloedige reserves, lage kosten en eenvoudige winning in vergelijking met andere siliciumertsen. Het siliciumdioxide in zand wordt echter gevormd door een groot aantal SiO4-tetraëders, verbonden door gedeelde zuurstofatomen, waardoor een sterk silicium-zuurstofnetwerk ontstaat. Deze structuur is zeer stabiel en moeilijk te gebruiken. Onderzoekers gebruiken NaCl om de warmte die vrijkomt tijdens het magnesiumreductieproces te absorberen en smelten van deeltjes te voorkomen. Nanosilicium wordt gewonnen uit zeezand en de hogetemperatuurpyrolyse van acetyleen wordt gebruikt om koolstof te verkrijgen. bekleding op de siliciumdeeltjes. Dit resulteert in goed gecoate silicium-koolstof anodematerialen.
Biomassa siliciumbronnen zoals rijstkaf en riet
Planten die rijk zijn aan silicium omvatten: rijstkafriet, paardenstaarten, theebladeren en bamboe. Het siliciumgehalte varieert per plant. In biomassa komt silicium voornamelijk voor als vrije silica in stengels, schors en bladeren. Chemische reacties worden gebruikt om het om te zetten in elementair poreus silicium. Dit wordt gevolgd door een koolstofcoatingproces om negatieve elektrodenmaterialen op basis van silicium te bereiden.
Silica in biomassa kan na reductie grotendeels zijn poreuze structuur behouden. Tijdens de bereiding van silicium-gebaseerde anodes kan een eenvoudig proces het poreuze raamwerk behouden. Dit vergroot effectief de interne ruimte van het materiaal, waardoor de volume-expansie van silicium tijdens laad- en ontlaadcycli wordt verminderd. Het gebruik van biomassa als siliciumbron voor de bereiding van silicium-gebaseerde materialen voor negatieve elektroden heeft voordelen zoals brede beschikbaarheid en duurzaamheid. Het sluit aan bij huidige koolstofarme en milieuvriendelijke ontwikkelingsconcepten, waardoor het een ideale siliciumbron is.
Rijstkaf is een bijproduct van rijst, waarvan wereldwijd jaarlijks meer dan 100 miljoen ton wordt geproduceerd. Hoewel de samenstelling van rijstkaf varieert per variëteit en herkomst, bestaat het voornamelijk uit lignine, cellulose, hemicellulose en silica. De as die overblijft na het verbranden van rijstkaf vertegenwoordigt doorgaans ongeveer 20% van de massa van het kaf, met een silicagehalte dat kan oplopen tot 87-97%. Door middel van methoden zoals calcineren, wassen, verwijdering van onzuiverheden en reductiereacties kan elementair silicium uit rijstkaf worden gewonnen. De silica in rijstkaf heeft een poreuze structuur en eenvoudige reacties kunnen 3D poreus nanosilicium opleveren. In combinatie met organische koolstof verbetert dit de elektrochemische prestaties van het materiaal.
Naast rijstkaf zijn ook rietstengels een goed anodemateriaal op basis van silicium. Ze hebben een geordende nanoschaal silica en een vlokachtige driedimensionale gelaagde structuur. Met behulp van een eenvoudige thermische reductiereactie met magnesium kan zeer poreus driedimensionale silicium worden verkregen.
Silane en andere chemische gassiliciumbronnen
Gasvormige siliciumbronnen worden vaak gebruikt voor de bereiding van anodes op basis van silicium, waaronder silaan (SiH4), trichloorsilaan (SiHCl3) en siliciumtetrachloride (SiCl4). Deze gasvormige siliciumbronnen kunnen worden gebruikt in dampdepositietechnieken zoals CVD om nanosilicium onder geschikte omstandigheden te bereiden. Silaan is de belangrijkste gasvormige siliciumbron die wordt gebruikt voor de bereiding van anodes op basis van silicium. Silaan, een silicium-waterstofverbinding, wordt hiervoor voornamelijk gebruikt in de vorm van methylsilaan (SiH4). Meestal wordt de dampdepositiemethode gebruikt, waarbij silaan ontbindt om nanosilicium te genereren dat zich aan een substraat hecht.
Koolstofcoating wordt vervolgens bereikt door het ontbinden van koolstofhoudende gassen, wat resulteert in silicium-koolstof anodematerialen.
Gasvormige siliciumbronnen zijn geschikt voor de bereiding van de volgende generatie silicium-koolstof anodematerialen. Door kleinere nano-siliciumdeeltjes en oppervlaktemodificaties te produceren, pakken ze effectief het probleem van volume-expansie tijdens het gebruik aan. Gasvormige siliciumbronnen (zoals silaan) zijn echter zeer instabiel, brandbaar en giftig. Daarom is strikte controle van temperatuur, druk en gasstroom vereist tijdens de bereiding en het gebruik om veiligheid en stabiliteit te garanderen. Dit leidt tot hogere eisen aan productieapparatuur, procesbeheersing en hogere productiekosten.
Afval van fotovoltaïsch silicium en andere afvalstoffen
Fotovoltaïsch silicium moet vaak worden gesneden en gevormd tijdens het productieproces, wat resulteert in siliciumafval van randen en hoeken. Door de wijdverbreide toepassing van fotovoltaïsch silicium neemt de productie van siliciumafval jaar na jaar toe. Siliciumafval is goedkoop en gemakkelijk verkrijgbaar, met een relatief hoge zuiverheid en een laag gehalte aan onzuiverheden. Het is geschikt voor de bereiding van anodematerialen op basis van silicium.
Om de problemen van complexe voorbereidingsprocessen en hoge materiaalkosten aan te pakken, hebben onderzoekers industrieel siliciumafval uit fotovoltaïsche snijtechnologie gebruikt als siliciumbron. Door middel van hoogenergetische kogelmaling wordt het silicium verkleind tot nanoschaalgrootte. Vervolgens wordt sucrose gebruikt als koolstofbron om het nanosilicium te coaten, wat resulteert in Si@C-microbolletjes als anodemateriaal. Deze aanpak verlaagt de materiaalkosten en vereenvoudigt het voorbereidingsproces. Het ontwerp van de coatingstructuur omsluit het nanosilicium, waardoor direct contact met de elektrolyt wordt voorkomen en het elektrolytverbruik wordt verminderd. Het nanosilicium ondergaat volumeschommelingen binnen de koolstofbolletjes, waardoor goed contact met het koolstofmateriaal behouden blijft en snel lithiumiontransport mogelijk is.
Gerecycled kwartsglas kan na behandeling ook siliciumanodematerialen opleveren met stabiele cyclusprestaties. Onderzoekers gebruikten weggegooid gebroken glas en verkregen, door thermische reductie van magnesium, direct een Si-interconnectienetwerk. Na oppervlaktecoating met koolstofmateriaal werd het materiaal geassembleerd tot een batterij. Bij een C/2-stroomdichtheid bleef de capaciteit na 400 cycli op 1420 mAh/g. De koolstofcoating op het oppervlak heeft beperkingen in het beperken van de uitzetting van siliciummateriaal, wat een belangrijke reden is voor aanzienlijk capaciteitsverlies in de eerste cycli. De structuur die na de glasbehandeling behouden blijft, biedt echter een uitstekende anti-uitzettingscapaciteit, waardoor een capaciteitsbehoud tot 74% wordt bereikt.
Conclusie
Concluderend kan gesteld worden dat het "silicium" in silicium-gebaseerde anodes afkomstig is van verschillende bronnen. Het kan worden gewonnen uit mineralen, planten, afvalstoffen en gasvormige siliciumbronnen. Dankzij technologische vooruitgang wordt het gebruik van deze siliciumbronnen efficiënter en duurzamer. Deze diverse siliciumbronnen bieden diverse mogelijkheden voor de ontwikkeling van silicium-gebaseerde anodematerialen. Dit heeft de potentie om de ontwikkeling van batterijtechnologieën met hogere prestaties te stimuleren.
Episch poeder
Episch poeder, 20+ jaar werkervaring in de ultrafijne poederindustrie. Actief promoten van de toekomstige ontwikkeling van ultrafijn poeder, met de focus op het breken, malen, classificeren en modificatieproces van ultrafijn poeder. Neem contact met ons op voor een gratis consult en op maat gemaakte oplossingen! Ons deskundige team is toegewijd aan het leveren van hoogwaardige producten en diensten om de waarde van uw poederverwerking te maximaliseren. Epic Powder—Uw vertrouwde poederverwerkingsexpert!