Nos últimos anos, o rápido desenvolvimento de veículos de nova energia elevou as demandas por desempenho de baterias. Os materiais de ânodo tradicionais à base de grafite têm baixa capacidade específica e são difíceis de atender à demanda. Silício Possui uma capacidade teórica específica extremamente alta, o que pode efetivamente melhorar o desempenho da bateria. Possui grande potencial de desenvolvimento como material de ânodo. O material de origem do silício, a morfologia das partículas e os métodos de processamento impactam significativamente o desempenho da bateria. eletrodos negativos à base de silício.
Vamos dar uma olhada nas fontes de silício dos eletrodos negativos baseados em silício.
Diatomita, Zeólita, Areia e Outras Fontes de Silício Mineral
Mineral O silício é a fonte de silício mais abundante e amplamente distribuída atualmente. Ele existe principalmente na forma de óxidos de silício e silicatos, como areia, zeólita, feldspato e argila. Os minerais de silício possuem alto teor de silício e propriedades como alta dureza, estabilidade térmica e químico Estabilidade. Alguns minerais de silício contêm numerosos poros pequenos em sua microestrutura, o que lhes confere uma grande área superficial específica. Isso os torna adequados para a preparação de materiais anódicos porosos à base de silício.
Diatomita
Diatomita é um sedimento formado pela acumulação de minúsculos restos de diatomáceas de mares antigos. É amplamente distribuída como uma rocha silicosa com alta capacidade de armazenamento na Terra. O principal componente químico da terra diatomácea é o SiO₂, com um teor máximo de até 941TP₂T. Além disso, contém traços de impurezas metálicas e matéria orgânica. O SiO₂ obtido da terra diatomácea possui uma boa estrutura porosa. Comparado às fontes de silício de biomassa, contém menos carbono, mas seu teor de silício é maior. A estrutura da sílica exibe uma estrutura de rede tridimensional única e altamente ordenada. Por meio de extração e composição simples, materiais porosos de nano-silício podem ser usados para preparar ânodos à base de silício.
Clinoptilolita
A clinoptilolita é composta principalmente de silicatos, com alto teor de silício (57%–70%) e uma estrutura complexa de canais em forma de gaiola. Essa estrutura é benéfica para a preparação de materiais de ânodo à base de silício uniformemente porosos. Pesquisadores utilizam moagem mecânica para abrir os canais de transmissão internos da clinoptilolita. Em seguida, aplicam calor para promover uma reação de redução térmica de magnésio, extraindo silício elementar. Além disso, o método de deposição de vapor é usado para craquear o tolueno na superfície do nano-silício, formando uma película de carbono. Isso resulta em uma estrutura esponjosa de materiais de eletrodos negativos à base de silício nanoporosos. Esses poros amortecem efetivamente as mudanças de volume do ânodo à base de silício durante os ciclos de carga e descarga. Isso garante a integridade mecânica do material, com vantagens como preparação simples e boa estabilidade cíclica.
Areia
O principal componente da areia é o quartzo, que apresenta vantagens como reservas abundantes, baixo custo e fácil extração em comparação com outros minérios de silício. No entanto, o dióxido de silício presente na areia é formado por um grande número de tetraedros de SiO₂ ligados por átomos de oxigênio compartilhados, formando uma forte rede silício-oxigênio. Essa estrutura é altamente estável e difícil de utilizar. Pesquisadores utilizam NaCl para absorver o calor gerado durante o processo de redução do magnésio, evitando a fusão das partículas. O nano-silício é extraído da areia marinha e a pirólise de acetileno em alta temperatura é usada para obter carbono. revestimento nas partículas de silício. Isso resulta em materiais de ânodo de silício-carbono bem revestidos.
Fontes de silício de biomassa, como cascas de arroz e juncos
As plantas ricas em silício incluem cascas de arroz, juncos, cavalinhas, folhas de chá e bambu. O teor de silício varia entre as diferentes plantas. Na biomassa, o silício existe principalmente como sílica livre em caules, cascas e folhas. Reações químicas são usadas para convertê-lo em silício poroso elementar. Isso é seguido por um processo de revestimento de carbono para preparar materiais de eletrodos negativos à base de silício.
A sílica presente na biomassa, após a redução, pode reter em grande parte sua estrutura porosa. Durante a preparação de ânodos à base de silício, um processo simples pode preservar sua estrutura porosa. Isso aumenta efetivamente o espaço interno do material, aliviando a expansão de volume do silício durante os ciclos de carga e descarga. O uso de biomassa como fonte de silício para a preparação de materiais para eletrodos negativos à base de silício apresenta vantagens como ampla disponibilidade e sustentabilidade. Alinha-se aos atuais conceitos de desenvolvimento de baixo carbono e ecologicamente corretos, tornando-se uma fonte ideal de silício.
A casca de arroz é um subproduto do arroz, com mais de 100 milhões de toneladas produzidas globalmente a cada ano. Embora a composição da casca de arroz varie de acordo com a variedade e a origem, ela consiste principalmente de lignina, celulose, hemicelulose e sílica. Normalmente, as cinzas restantes após a queima da casca de arroz representam cerca de 20% da massa da casca, com o teor de sílica atingindo 87–97%. Por meio de métodos como calcinação, lavagem, remoção de impurezas e reações de redução, o silício elementar pode ser extraído da casca de arroz. A sílica na casca de arroz tem uma estrutura porosa, e reações simples podem produzir nanossilício poroso tridimensional. Quando combinado com carbono orgânico, isso melhora o desempenho eletroquímico do material.
Além da casca de arroz, o junco também é um bom material de ânodo à base de silício. Ele possui sílica nanométrica ordenada e uma estrutura em camadas tridimensionais em forma de flocos. Utilizando uma simples reação de redução térmica de magnésio, é possível obter silício tridimensional altamente poroso.
Silano e outras fontes químicas de gás silício
Fontes gasosas de silício são comumente utilizadas na preparação de ânodos à base de silício, incluindo silano (SiH4), triclorossilano (SiHCl3) e tetracloreto de silício (SiCl4). Essas fontes gasosas de silício podem ser utilizadas em técnicas de deposição de vapor, como a CVD, para preparar nano-silício sob condições apropriadas. Dentre elas, o silano é a principal fonte gasosa de silício utilizada na preparação de ânodos à base de silício. O silano, um composto de silício-hidrogênio, é utilizado principalmente na forma de metilsilano (SiH4) para essa finalidade. Tipicamente, utiliza-se o método de deposição de vapor, no qual o silano sofre decomposição para gerar nano-silício que adere a um substrato.
O revestimento de carbono é então obtido pela decomposição de gases que contêm carbono, resultando em materiais de ânodo de silício-carbono.
Fontes gasosas de silício são adequadas para a preparação de materiais de ânodo de silício-carbono de última geração. Ao produzir partículas menores de nano-silício e modificações de superfície, elas resolvem efetivamente o problema da expansão de volume durante o uso real. No entanto, fontes gasosas de silício (como o silano) são altamente instáveis, inflamáveis e tóxicas. Portanto, é necessário um controle rigoroso de temperatura, pressão e fluxo de gás durante a preparação e o uso para garantir a segurança e a estabilidade. Isso leva a requisitos mais elevados para equipamentos de produção, controle de processo e aumento dos custos de produção.
Resíduos de silício fotovoltaico e outros materiais residuais
O silício fotovoltaico frequentemente requer corte e moldagem durante o processo de fabricação, resultando em resíduos de silício provenientes de sobras de bordas e cantos. Com o uso generalizado do silício fotovoltaico, a geração de resíduos de silício tem aumentado ano a ano. Os resíduos de silício são baratos e facilmente disponíveis, com pureza relativamente alta e baixo teor de impurezas. São adequados para a preparação de materiais de ânodo à base de silício.
Para abordar os problemas de processos complexos de preparação e altos custos de material, pesquisadores utilizaram resíduos de silício de corte fotovoltaico industrial como fonte de silício. Por meio de moagem de esferas de alta energia, o silício é reduzido a um tamanho nanométrico. Em seguida, a sacarose é usada como fonte de carbono para revestir o nano-silício, resultando em materiais de ânodo de microesferas de Si@C. Essa abordagem reduz os custos de material e simplifica o processo de preparação. O design da estrutura do revestimento encapsula o nano-silício em seu interior, impedindo o contato direto com o eletrólito e reduzindo o consumo de eletrólito. O nano-silício sofre flutuações de volume dentro das esferas de carbono, mantendo bom contato com o material de carbono e permitindo o transporte rápido de íons de lítio.
Vidro de quartzo reciclado, após tratamento, também pode produzir materiais de ânodo de silício com desempenho de ciclo estável. Pesquisadores utilizaram vidro quebrado descartado e, por meio da redução térmica do magnésio, obtiveram diretamente uma rede de interconexão de Si. Após o revestimento da superfície com material de carbono, o material foi montado em uma bateria. A uma densidade de corrente C/2, após 400 ciclos, a capacidade permaneceu em 1420 mAh/g. O revestimento de carbono na superfície apresenta limitações na restrição da expansão do material de silício, o que é um dos principais motivos para a perda significativa de capacidade nos ciclos iniciais. No entanto, a estrutura retida após o tratamento do vidro proporciona excelente capacidade antiexpansiva, atingindo uma taxa de retenção de capacidade de até 74%.
Conclusão
Em conclusão, o "silício" presente nos ânodos à base de silício provém de diversas fontes. Pode ser obtido de minerais, plantas, resíduos e fontes gasosas de silício. Com os avanços tecnológicos, a utilização dessas fontes de silício está se tornando mais eficiente e sustentável. Essas diversas fontes de silício oferecem diversas opções para o desenvolvimento de materiais para ânodos à base de silício. Isso tem o potencial de impulsionar o desenvolvimento de tecnologias de baterias de alto desempenho.
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