“ซิลิคอน” ในขั้วลบที่ทำจากซิลิคอนมาจากไหน?

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การพัฒนาอย่างรวดเร็วของรถยนต์พลังงานใหม่ทำให้ความต้องการประสิทธิภาพของแบตเตอรี่เพิ่มมากขึ้น วัสดุขั้วบวกแบบกราไฟต์แบบดั้งเดิมมีความจุจำเพาะต่ำและตอบสนองความต้องการได้ยาก ซิลิคอน มีความสามารถเฉพาะทางทฤษฎีที่สูงมาก ซึ่งสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ มีศักยภาพในการพัฒนาเป็นวัสดุขั้วบวก วัสดุต้นทางซิลิกอน สัณฐานวิทยาของอนุภาค และวิธีการประมวลผลส่งผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพของ ขั้วลบที่ทำจากซิลิกอน.

มาดูแหล่งซิลิคอนของขั้วไฟฟ้าลบที่ทำจากซิลิคอนกัน

ไดอะตอมไมต์ ซีโอไลต์ ทราย และแหล่งซิลิคอนแร่อื่นๆ

แร่ ซิลิคอนเป็นแหล่งซิลิคอนที่มีมากที่สุดและกระจายตัวมากที่สุดในปัจจุบัน ซิลิคอนมีอยู่ในรูปของออกไซด์ของซิลิคอนและซิลิเกตเป็นหลัก เช่น ทราย ซีโอไลต์ เฟลด์สปาร์ และดินเหนียว แร่ซิลิคอนมีปริมาณซิลิคอนสูง และมีคุณสมบัติ เช่น ความแข็งสูง เสถียรภาพทางความร้อน และ เคมี ความเสถียร แร่ซิลิกอนบางชนิดมีรูพรุนขนาดเล็กจำนวนมากในโครงสร้างจุลภาค ทำให้มีพื้นที่ผิวเฉพาะขนาดใหญ่ ทำให้เหมาะสำหรับการเตรียมวัสดุขั้วบวกที่มีรูพรุนที่ทำจากซิลิกอน

ดินเบาไดอะตอมไมต์

ดินเบาเป็นตะกอนที่เกิดจากการสะสมของเศษไดอะตอมขนาดเล็กจากทะเลโบราณ ดินเบาเป็นหินที่มีการกระจายอย่างกว้างขวางในรูปของหินซิลิกาที่มีความจุสูงบนโลก องค์ประกอบทางเคมีหลักของดินเบาคือ SiO2 ซึ่งมีปริมาณสูงสุดถึง 94% นอกจากนี้ยังมีสิ่งเจือปนโลหะและสารอินทรีย์ในปริมาณเล็กน้อยอีกด้วย SiO2 ที่ได้จากดินเบามีโครงสร้างที่มีรูพรุนที่ดี เมื่อเปรียบเทียบกับแหล่งซิลิกอนชีวมวล ดินเบาจะมีคาร์บอนน้อยกว่า แต่มีปริมาณซิลิกอนสูงกว่า โครงสร้างซิลิกาแสดงโครงสร้างเครือข่าย 3 มิติที่เป็นระเบียบเฉพาะตัว ด้วยการสกัดและการผสมแบบง่ายๆ วัสดุนาโนซิลิกอนที่มีรูพรุนสามารถใช้ในการเตรียมแอโนดที่มีฐานเป็นซิลิกอนได้

คลินอปติโลไลต์

คลินอปติโลไลต์ประกอบด้วยซิลิเกตเป็นส่วนใหญ่ โดยมีซิลิเกตในปริมาณสูง (57%–70%) และโครงสร้างช่องคล้ายกรงที่ซับซ้อน โครงสร้างนี้มีประโยชน์ในการเตรียมวัสดุแอโนดที่มีฐานเป็นซิลิกอนที่มีรูพรุนสม่ำเสมอ นักวิจัยใช้การเจียรด้วยเครื่องจักรเพื่อเปิดช่องส่งผ่านภายในของคลินอปติโลไลต์ จากนั้นจึงใช้ความร้อนเพื่อส่งเสริมปฏิกิริยาการลดความร้อนของแมกนีเซียม ซึ่งจะช่วยสกัดซิลิกอนธาตุออกมา นอกจากนี้ ยังใช้วิธีการสะสมไอเพื่อแยกโทลูอีนออกจากพื้นผิวของนาโนซิลิกอน ทำให้เกิดฟิล์มคาร์บอน ส่งผลให้วัสดุอิเล็กโทรดลบที่มีฐานเป็นซิลิกอนที่มีรูพรุนในระดับนาโนมีโครงสร้างคล้ายฟองน้ำ รูพรุนเหล่านี้ช่วยบัฟเฟอร์การเปลี่ยนแปลงปริมาตรของแอโนดที่มีฐานเป็นซิลิกอนได้อย่างมีประสิทธิภาพในระหว่างรอบการชาร์จและการคายประจุ ซึ่งช่วยให้มั่นใจได้ถึงความสมบูรณ์เชิงกลของวัสดุ โดยมีข้อดี เช่น การเตรียมที่ง่ายดายและความเสถียรของรอบการทำงานที่ดี

ทราย

ส่วนประกอบหลักของทรายคือควอตซ์ ซึ่งมีข้อดี เช่น มีปริมาณสำรองมาก ต้นทุนต่ำ และสกัดได้ง่ายเมื่อเทียบกับแร่ซิลิกอนชนิดอื่น อย่างไรก็ตาม ซิลิกอนไดออกไซด์ในทรายนั้นเกิดจากเตตระฮีดรอน SiO4 จำนวนมากที่เชื่อมต่อกันด้วยอะตอมออกซิเจนร่วมกัน ทำให้เกิดเครือข่ายซิลิกอน-ออกซิเจนที่แข็งแกร่ง โครงสร้างนี้มีเสถียรภาพสูงและยากต่อการใช้ประโยชน์ นักวิจัยใช้ NaCl เพื่อดูดซับความร้อนที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการรีดักชันแมกนีเซียม ซึ่งป้องกันไม่ให้อนุภาคหลอมละลาย นาโนซิลิกอนถูกสกัดจากทรายทะเล และไพโรไลซิสอะเซทิลีนที่อุณหภูมิสูงจะถูกใช้เพื่อให้ได้คาร์บอน การเคลือบ บนอนุภาคซิลิกอน ส่งผลให้วัสดุแอโนดซิลิกอน-คาร์บอนเคลือบอย่างดี

แหล่งซิลิคอนชีวมวล เช่น แกลบและกก

พืชที่อุดมด้วยซิลิกอนได้แก่ เปลือกข้าว, กก, หางม้า, ใบชา และไม้ไผ่ ปริมาณซิลิกอนแตกต่างกันไปในแต่ละพืช ในชีวมวล ซิลิกอนมีอยู่เป็นส่วนใหญ่ในรูปของซิลิกาอิสระในลำต้น เปลือกไม้ และใบ ปฏิกิริยาเคมีใช้เพื่อเปลี่ยนซิลิกอนให้เป็นซิลิกอนที่มีรูพรุนตามธาตุ จากนั้นจึงทำกระบวนการเคลือบคาร์บอนเพื่อเตรียมวัสดุอิเล็กโทรดลบที่มีฐานเป็นซิลิกอน

ซิลิกาในชีวมวลหลังจากการลดสามารถรักษาโครงสร้างที่มีรูพรุนได้เป็นส่วนใหญ่ ในระหว่างการเตรียมแอโนดที่ใช้ซิลิกอน กระบวนการง่ายๆ สามารถรักษาโครงสร้างที่มีรูพรุนได้ วิธีนี้ช่วยเพิ่มพื้นที่ภายในของวัสดุได้อย่างมีประสิทธิภาพ ช่วยลดการขยายตัวของปริมาตรของซิลิกอนในระหว่างรอบการชาร์จและการคายประจุ การใช้ชีวมวลเป็นแหล่งซิลิกอนในการเตรียมวัสดุอิเล็กโทรดลบที่ใช้ซิลิกอนมีข้อดี เช่น มีจำหน่ายทั่วไปและยั่งยืน ซึ่งสอดคล้องกับแนวคิดการพัฒนาคาร์บอนต่ำและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมในปัจจุบัน ทำให้เป็นแหล่งซิลิกอนที่เหมาะสม

แกลบข้าวเป็นผลพลอยได้จากข้าว โดยมีการผลิตมากกว่า 100 ล้านตันทั่วโลกในแต่ละปี แม้ว่าองค์ประกอบของแกลบข้าวจะแตกต่างกันไปตามพันธุ์และแหล่งกำเนิด แต่แกลบข้าวประกอบด้วยลิกนิน เซลลูโลส เฮมิเซลลูโลส และซิลิกาเป็นหลัก โดยทั่วไป เถ้าที่เหลือหลังจากการเผาแกลบข้าวจะมีปริมาณประมาณ 20% ของมวลแกลบข้าว โดยมีปริมาณซิลิกาอยู่ที่ 87–97% โดยสามารถสกัดซิลิกอนธาตุจากแกลบข้าวได้โดยใช้กรรมวิธีต่างๆ เช่น การเผา การซัก การกำจัดสิ่งเจือปน และปฏิกิริยารีดักชัน ซิลิกอนในแกลบข้าวมีโครงสร้างที่มีรูพรุน และปฏิกิริยาง่ายๆ สามารถให้ซิลิกอนนาโนที่มีรูพรุน 3 มิติได้ เมื่อรวมกับคาร์บอนอินทรีย์ จะทำให้ประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าของวัสดุดีขึ้น

นอกจากแกลบข้าวแล้ว ต้นกกยังเป็นวัสดุขั้วบวกที่ทำจากซิลิกอนที่ดีอีกด้วย โดยมีซิลิกาขนาดนาโนเรียงตัวเป็นระเบียบและมีโครงสร้างแบบ 3 มิติเป็นชั้นๆ คล้ายเกล็ด โดยใช้ปฏิกิริยาลดความร้อนแมกนีเซียมแบบง่ายๆ จึงสามารถผลิตซิลิกอน 3 มิติที่มีรูพรุนสูงได้

ไซเลนและแหล่งซิลิกอนของก๊าซเคมีอื่น ๆ

แหล่งซิลิคอนที่เป็นก๊าซมักใช้ในการเตรียมแอโนดที่เป็นฐานซิลิคอน ได้แก่ ไซเลน (SiH4) ไตรคลอโรซิเลน (SiHCl3) และซิลิกอนเตตระคลอไรด์ (SiCl4) แหล่งซิลิคอนที่เป็นก๊าซเหล่านี้สามารถใช้ในเทคนิคการสะสมไอ เช่น CVD เพื่อเตรียมนาโนซิลิกอนภายใต้เงื่อนไขที่เหมาะสม ในบรรดาเทคนิคเหล่านี้ ไซเลนเป็นแหล่งซิลิคอนที่เป็นก๊าซหลักที่ใช้ในการเตรียมแอโนดที่เป็นฐานซิลิคอน ไซเลนซึ่งเป็นสารประกอบซิลิกอน-ไฮโดรเจน ส่วนใหญ่ใช้ในรูปแบบของเมทิลไซเลน (SiH4) เพื่อจุดประสงค์นี้ โดยทั่วไป จะใช้วิธีการสะสมไอ ซึ่งไซเลนจะสลายตัวเพื่อสร้างนาโนซิลิกอนที่ยึดติดกับพื้นผิว
การเคลือบคาร์บอนทำได้โดยการสลายตัวของก๊าซที่มีคาร์บอน ส่งผลให้ได้วัสดุขั้วบวกซิลิกอน-คาร์บอน

แหล่งซิลิคอนที่เป็นก๊าซเหมาะสำหรับการเตรียมวัสดุขั้วบวกซิลิคอน-คาร์บอนรุ่นต่อไป โดยการผลิตอนุภาคนาโนซิลิคอนที่มีขนาดเล็กลงและการปรับเปลี่ยนพื้นผิว ทำให้สามารถแก้ไขปัญหาการขยายตัวของปริมาตรในระหว่างการใช้งานจริงได้อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม แหล่งซิลิคอนที่เป็นก๊าซ (เช่น ไซเลน) มีความไม่เสถียรสูง ติดไฟได้ และเป็นพิษ ดังนั้น จำเป็นต้องควบคุมอุณหภูมิ ความดัน และการไหลของก๊าซอย่างเข้มงวดระหว่างการเตรียมและการใช้งานเพื่อให้แน่ใจถึงความปลอดภัยและเสถียรภาพ ส่งผลให้มีความต้องการอุปกรณ์การผลิต การควบคุมกระบวนการ และต้นทุนการผลิตที่เพิ่มมากขึ้น

ขยะซิลิคอนจากพลังงานแสงอาทิตย์และวัสดุเหลือใช้อื่นๆ

ซิลิคอนโฟโตวอลตาอิคมักต้องตัดและขึ้นรูประหว่างกระบวนการผลิต ส่งผลให้มีเศษซิลิคอนจากเศษขอบและมุม ด้วยการใช้ซิลิคอนโฟโตวอลตาอิคอย่างแพร่หลาย การเกิดเศษซิลิคอนจึงเพิ่มขึ้นทุกปี เศษซิลิคอนมีราคาไม่แพงและหาได้ง่าย มีความบริสุทธิ์ค่อนข้างสูงและมีสิ่งเจือปนต่ำ เหมาะสำหรับการเตรียมวัสดุขั้วบวกที่ทำจากซิลิคอน

เพื่อแก้ไขปัญหาของกระบวนการเตรียมที่ซับซ้อนและต้นทุนวัสดุที่สูง นักวิจัยได้ใช้เศษซิลิคอนจากการตัดด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ในอุตสาหกรรมเป็นแหล่งซิลิคอน โดยการใช้เครื่องบดลูกบอลพลังงานสูง ซิลิคอนจะถูกทำให้เล็กลงเหลือขนาดระดับนาโน จากนั้นซูโครสจะถูกใช้เป็นแหล่งคาร์บอนเพื่อเคลือบนาโนซิลิคอน ส่งผลให้ได้วัสดุแอโนดไมโครสเฟียร์ Si@C วิธีนี้ช่วยลดต้นทุนวัสดุและทำให้กระบวนการเตรียมง่ายขึ้น การออกแบบโครงสร้างการเคลือบจะห่อหุ้มนาโนซิลิคอนไว้ภายใน ป้องกันการสัมผัสกับอิเล็กโทรไลต์โดยตรง และลดการใช้สารอิเล็กโทรไลต์ นาโนซิลิคอนจะเกิดความผันผวนของปริมาตรภายในทรงกลมคาร์บอน ทำให้สัมผัสกับวัสดุคาร์บอนได้ดี และทำให้สามารถขนส่งลิเธียมไอออนได้อย่างรวดเร็ว

แก้วควอทซ์รีไซเคิลหลังการบำบัดสามารถผลิตวัสดุขั้วบวกซิลิกอนที่มีประสิทธิภาพการทำงานเป็นรอบที่เสถียรได้เช่นกัน นักวิจัยใช้แก้วที่แตกทิ้งแล้วและผ่านการลดความร้อนด้วยแมกนีเซียมจึงได้เครือข่ายการเชื่อมต่อซิลิกอนโดยตรง หลังจากเคลือบผิวด้วยวัสดุคาร์บอนแล้ว วัสดุจะถูกประกอบเป็นแบตเตอรี่ ที่ความหนาแน่นกระแส C/2 หลังจาก 400 รอบ ความจุจะยังคงอยู่ 1,420 mAh/g การเคลือบคาร์บอนบนพื้นผิวมีข้อจำกัดในการจำกัดการขยายตัวของวัสดุซิลิกอน ซึ่งเป็นสาเหตุสำคัญของการสูญเสียความจุอย่างมีนัยสำคัญในรอบเริ่มต้น อย่างไรก็ตาม โครงสร้างที่คงไว้หลังการบำบัดด้วยแก้วนั้นให้ความสามารถในการป้องกันการขยายตัวที่ยอดเยี่ยม โดยบรรลุอัตราการเก็บรักษาความจุสูงสุดถึง 74%

บทสรุป

โดยสรุปแล้ว “ซิลิกอน” ในแอโนดที่ทำจากซิลิกอนมาจากแหล่งต่างๆ มากมาย โดยสามารถหาได้จากแร่ธาตุ พืช วัสดุเหลือใช้ และแหล่งซิลิกอนในรูปก๊าซ ด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี การใช้แหล่งซิลิกอนเหล่านี้จึงมีประสิทธิภาพและยั่งยืนมากขึ้น แหล่งซิลิกอนที่หลากหลายเหล่านี้ให้ทางเลือกต่างๆ ในการพัฒนาวัสดุแอโนดที่ทำจากซิลิกอน ซึ่งมีศักยภาพที่จะผลักดันการพัฒนาเทคโนโลยีแบตเตอรี่ที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้น

ผงมหากาพย์

ผงมหากาพย์ประสบการณ์การทำงานในอุตสาหกรรมผงละเอียดมากว่า 20 ปี ส่งเสริมการพัฒนาผงละเอียดมากในอนาคตอย่างแข็งขัน โดยเน้นที่กระบวนการบด การบด การจำแนก และการปรับเปลี่ยนผงละเอียดมาก ติดต่อเราเพื่อขอคำปรึกษาฟรีและโซลูชันที่ปรับแต่งได้! ทีมผู้เชี่ยวชาญของเราทุ่มเทเพื่อจัดหาผลิตภัณฑ์และบริการคุณภาพสูงเพื่อเพิ่มมูลค่าให้กับการแปรรูปผงของคุณ Epic Powder—ผู้เชี่ยวชาญด้านการแปรรูปผงที่คุณวางใจได้!