В последние годы быстрое развитие новых энергетических транспортных средств повысило требования к производительности аккумуляторов. Традиционные анодные материалы на основе графита имеют низкую удельную емкость и с трудом удовлетворяют спрос. Кремний имеет чрезвычайно высокую теоретическую удельную емкость, которая может эффективно улучшить производительность батареи. Имеет большой потенциал для развития в качестве анодного материала. Исходный кремниевый материал, морфология частиц и методы обработки значительно влияют на производительность Отрицательные электроды на основе кремния.
Давайте рассмотрим источники кремния для отрицательных электродов на основе кремния.
Диатомит, цеолит, песок и другие минеральные источники кремния
Минеральная Кремний является наиболее распространенным и широко распространенным источником кремния на сегодняшний день. Он в основном существует в форме оксидов кремния и силикатов, таких как песок, цеолит, полевой шпат и глина. Кремниевые минералы имеют высокое содержание кремния и такие свойства, как высокая твердость, термическая стабильность и химический стабильность. Некоторые кремниевые минералы содержат множество мелких пор в своей микроструктуре, что обеспечивает им большую удельную поверхность. Это делает их пригодными для приготовления пористых анодных материалов на основе кремния.
Диатомит
Диатомит — это осадок, образованный накоплением крошечных остатков диатомовых водорослей из древних морей. Он широко распространен как кремниевая порода с высокой емкостью хранения на Земле. Основным химическим компонентом диатомита является SiO2 с максимальным содержанием до 94%. Кроме того, он содержит следовые количества металлических примесей и органических веществ. SiO2, полученный из диатомита, имеет хорошую пористую структуру. По сравнению с источниками кремния из биомассы он содержит меньше углерода, но содержание кремния в нем выше. Структура кремния демонстрирует уникальную, высокоупорядоченную трехмерную сетчатую структуру. Благодаря простой экстракции и компаундированию пористые нанокремниевые материалы могут быть использованы для приготовления анодов на основе кремния.
Клиноптилолит
Клиноптилолит в основном состоит из силикатов с высоким содержанием кремния (57%–70%) и сложной структурой каналов, напоминающей клетку. Эта структура полезна для приготовления однородно пористых анодных материалов на основе кремния. Исследователи используют механическое измельчение, чтобы открыть внутренние каналы передачи клиноптилолита. Затем они применяют тепло, чтобы способствовать реакции термического восстановления магния, извлекая элементарный кремний. Кроме того, метод осаждения из паровой фазы используется для растрескивания толуола на поверхности нанокремния, образуя углеродную пленку. Это приводит к губчатой структуре нанопористых материалов отрицательных электродов на основе кремния. Эти поры эффективно буферизуют изменения объема анода на основе кремния во время циклов заряда и разряда. Это обеспечивает механическую целостность материала с такими преимуществами, как простота приготовления и хорошая циклическая стабильность.
Песок
Основным компонентом песка является кварц, который имеет такие преимущества, как обильные запасы, низкая стоимость и простота добычи по сравнению с другими кремниевыми рудами. Однако диоксид кремния в песке образован большим количеством тетраэдров SiO4, связанных через общие атомы кислорода, образуя прочную кремний-кислородную сеть. Эта структура очень стабильна и сложна в использовании. Исследователи используют NaCl для поглощения тепла, выделяемого в процессе восстановления магния, предотвращая плавление частиц. Нанокремний извлекается из морского песка, а высокотемпературный пиролиз ацетилена используется для получения углерода покрытие на кремниевых частицах. Это приводит к получению хорошо покрытых кремний-углеродных анодных материалов.
Источники кремния из биомассы, такие как рисовая шелуха и тростник
Растения, богатые кремнием, включают: рисовая шелуха, тростник, хвощ, чайные листья и бамбук. Содержание кремния различается у разных растений. В биомассе кремний в основном существует в виде свободного кремния в стеблях, коре и листьях. Для его преобразования в элементарный пористый кремний используются химические реакции. Затем следует процесс нанесения углеродного покрытия для получения материалов для отрицательных электродов на основе кремния.
Кремний в биомассе после восстановления может в значительной степени сохранять свою пористую структуру. Во время приготовления анодов на основе кремния простой процесс может сохранить его пористую структуру. Это эффективно увеличивает внутреннее пространство материала, уменьшая объемное расширение кремния во время циклов заряда и разряда. Использование биомассы в качестве источника кремния для приготовления материалов для отрицательных электродов на основе кремния имеет такие преимущества, как широкая доступность и устойчивость. Это соответствует современным концепциям низкоуглеродного и экологически чистого развития, что делает ее идеальным источником кремния.
Рисовая шелуха является побочным продуктом риса, более 100 миллионов тонн которого производится во всем мире каждый год. Хотя состав рисовой шелухи различается в зависимости от сорта и происхождения, в основном она состоит из лигнина, целлюлозы, гемицеллюлозы и кремнезема. Обычно зола, остающаяся после сжигания рисовой шелухи, составляет около 20% массы шелухи, при этом содержание кремнезема достигает 87–97%. С помощью таких методов, как прокаливание, промывка, удаление примесей и реакции восстановления, из рисовой шелухи можно извлечь элементарный кремний. Кремнезем в рисовой шелухе имеет пористую структуру, и простые реакции могут дать 3D пористый нанокремний. В сочетании с органическим углеродом это улучшает электрохимические характеристики материала.
Помимо рисовой шелухи, хорошим материалом для анода на основе кремния являются тростники. Они имеют упорядоченный наноразмерный кремний и хлопьевидную трехмерную слоистую структуру. Используя простую реакцию термического восстановления магния, можно получить высокопористый трехмерный кремний.
Силан и другие химические газообразные источники кремния
Газообразные источники кремния обычно используются для приготовления анодов на основе кремния, включая силан (SiH4), трихлорсилан (SiHCl3) и тетрахлорид кремния (SiCl4). Эти газообразные источники кремния могут использоваться в методах осаждения из паровой фазы, таких как CVD, для приготовления нанокремния в соответствующих условиях. Среди них силан является основным газообразным источником кремния, используемым для приготовления анодов на основе кремния. Силан, соединение кремния и водорода, в основном используется в форме метилсилана (SiH4) для этой цели. Обычно используется метод осаждения из паровой фазы, при котором силан подвергается разложению для получения нанокремния, который прилипает к подложке.
Затем путем разложения углеродсодержащих газов формируется углеродное покрытие, в результате чего получаются кремний-углеродные анодные материалы.
Газообразные источники кремния подходят для приготовления кремний-углеродных анодных материалов следующего поколения. Производя более мелкие частицы нанокремния и модификации поверхности, они эффективно решают проблему расширения объема во время фактического использования. Однако газообразные источники кремния (такие как силан) крайне нестабильны, огнеопасны и токсичны. Поэтому для обеспечения безопасности и стабильности требуется строгий контроль температуры, давления и расхода газа во время приготовления и использования. Это приводит к более высоким требованиям к производственному оборудованию, контролю процесса и увеличению производственных затрат.
Фотоэлектрические кремниевые отходы и другие отходы
Фотоэлектрический кремний часто требует резки и формовки в процессе производства, что приводит к образованию кремниевых отходов из обрезков краев и углов. С широким распространением фотоэлектрического кремния образование кремниевых отходов увеличивается с каждым годом. Кремниевые отходы недороги и легкодоступны, с относительно высокой чистотой и низким содержанием примесей. Они подходят для приготовления анодных материалов на основе кремния.
Для решения проблем сложных процессов подготовки и высоких материальных затрат исследователи использовали промышленные отходы фотоэлектрической резки кремния в качестве источника кремния. Благодаря высокоэнергетическому шаровому измельчению кремний уменьшается до наноразмеров. Затем сахароза используется в качестве источника углерода для покрытия нанокремния, в результате чего получаются анодные материалы микросфер Si@C. Такой подход снижает материальные затраты и упрощает процесс подготовки. Конструкция структуры покрытия инкапсулирует нанокремний внутри, предотвращая прямой контакт с электролитом и снижая расход электролита. Нанокремний претерпевает объемные колебания внутри углеродных сфер, поддерживая хороший контакт с углеродным материалом и обеспечивая быстрый транспорт литий-ионов.
Переработанное кварцевое стекло после обработки также может давать кремниевые анодные материалы со стабильными циклическими характеристиками. Исследователи использовали выброшенное битое стекло и посредством термического восстановления магния напрямую получили сеть межсоединений Si. После покрытия поверхности углеродным материалом материал был собран в батарею. При плотности тока C/2 после 400 циклов емкость оставалась на уровне 1420 мАч/г. Углеродное покрытие на поверхности имеет ограничения в ограничении расширения кремниевого материала, что является основной причиной значительной потери емкости в начальных циклах. Однако структура, сохраненная после обработки стекла, обеспечивает превосходную способность против расширения, достигая коэффициента сохранения емкости до 74%.
Заключение
В заключение, «кремний» в анодах на основе кремния поступает из различных источников. Его можно получить из минералов, растений, отходов и газообразных источников кремния. С развитием технологий использование этих источников кремния становится более эффективным и устойчивым. Эти разнообразные источники кремния предлагают различные варианты для разработки материалов анода на основе кремния. Это может способствовать разработке технологий аккумуляторов с более высокой производительностью.
Эпический порошок
Эпический порошок, более 20 лет опыта работы в отрасли сверхтонких порошков. Активно продвигаем будущее развитие сверхтонких порошков, уделяя особое внимание процессам дробления, измельчения, классификации и модификации сверхтонких порошков. Свяжитесь с нами для бесплатной консультации и индивидуальных решений! Наша команда экспертов стремится предоставлять высококачественные продукты и услуги для максимизации ценности вашей обработки порошков. Epic Powder — ваш надежный эксперт по обработке порошков!