วัสดุแอโนดซิลิคอน-คาร์บอน (Si–C) ถือเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีหลักที่ช่วยให้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนความหนาแน่นพลังงานสูงรุ่นใหม่เป็นไปได้ เทคโนโลยีเหล่านี้ได้รับการออกแบบมาเพื่อเอาชนะข้อจำกัดโดยธรรมชาติของขั้วบวกกราไฟต์แบบดั้งเดิม ซึ่งมีความจุจำเพาะทางทฤษฎีเพียง 372 mAh/g และเพื่อช่วยให้ความหนาแน่นพลังงานของแบตเตอรี่เพิ่มขึ้นอย่างมาก.
I. ทำไมต้องเลือกซิลิคอน? ทำไมต้องเป็นซิลิคอนคอมโพสิต?
ข้อดีที่โดดเด่นของซิลิคอน
- ความจุเชิงทฤษฎีสูงมาก
ซิลิคอนบริสุทธิ์มีค่าความจุจำเพาะตามทฤษฎีประมาณ 4200 mAh/g ซึ่งมากกว่ากราไฟต์ถึงสิบเท่า. - ศักยภาพการแทรกตัวของลิเธียมที่เหมาะสม
สูงกว่ากราไฟต์เล็กน้อย ให้ความปลอดภัยที่ดีขึ้นและลดความเสี่ยงของการเกิดคราบลิเธียม. - ทรัพยากรที่อุดมสมบูรณ์และความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม
ซิลิคอนมีอยู่ทั่วไปและไม่เป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม.
ข้อเสียร้ายแรงของซิลิคอน (“จุดอ่อนสำคัญ’)
- อนุภาครุนแรง การบดละเอียด
การแตกหักทางกลระหว่างการใช้งานส่งผลให้การสัมผัสทางไฟฟ้าขาดหายและหลุดออกจากตัวเก็บประจุไฟฟ้า. - ชั้นเชื่อมต่ออิเล็กโทรไลต์แข็งที่ไม่เสถียร (SEI)
การแตกตัวและการเกิดใหม่ซ้ำๆ ของชั้น SEI ทำให้สิ้นเปลืองอิเล็กโทรไลต์และลิเธียม ส่งผลให้ประสิทธิภาพคูลอมบิกต่ำและความจุลดลงอย่างรวดเร็ว. - การขยายปริมาตรอย่างมาก
ซิลิคอนสามารถเปลี่ยนแปลงได้มากกว่า... 300% การขยายปริมาตร ในระหว่างกระบวนการลิเธียมไอออนไนเซชัน ซึ่งก่อให้เกิด:- การพังทลายของโครงสร้าง
- การแตกร้าวของอิเล็กโทรด
- การสูญเสียการนำไฟฟ้า
- การนำไฟฟ้าภายในต่ำ
ด้อยกว่ากราไฟต์อย่างเห็นได้ชัด.
บทบาทของ “คาร์บอน”
- เมทริกซ์บัฟเฟอร์เชิงกล
วัสดุคาร์บอนที่มีความยืดหยุ่น (คาร์บอนอสัณฐาน กราไฟต์ กราฟีน ฯลฯ) สามารถรองรับการเปลี่ยนแปลงปริมาตรของซิลิคอนและป้องกันความเสียหายทางโครงสร้างได้. - การสร้างเครือข่ายนำไฟฟ้า
คาร์บอนช่วยเพิ่มการนำไฟฟ้าโดยรวมของวัสดุผสมได้อย่างมาก. - การรักษาเสถียรภาพ SEI
ชั้น SEI ที่มีเสถียรภาพมากขึ้นจะก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวคาร์บอน ซึ่งช่วยจำกัดการสัมผัสโดยตรงมากเกินไประหว่างซิลิคอนและอิเล็กโทรไลต์.
ดังนั้น การออกแบบวัสดุคอมโพสิตซิลิคอน-คาร์บอนจึงเป็นเส้นทางเทคโนโลยีที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ เพื่อสร้างสมดุลระหว่างความจุสูงมากกับอายุการใช้งานที่ยาวนาน.
กระบวนการผลิตวัสดุคอมโพสิตซิลิคอน-คาร์บอนกระแสหลัก
แนวคิดหลักคือการออกแบบโครงสร้างซิลิคอน-คาร์บอนในระดับนาโนเพื่อลดความเครียดทางกลระหว่างการใช้งานซ้ำๆ.
โครงสร้างแกน-เปลือก (การเคลือบ)
แนวคิด:
อนุภาคซิลิคอนถูกห่อหุ้มด้วยเปลือกคาร์บอนที่สม่ำเสมอ.
กระบวนการ:
อนุภาคนาโนซิลิคอนหรือซิลิคอนออกไซด์ถูกเคลือบด้วยคาร์บอนโดยวิธีการต่างๆ เคมี การตกตะกอนไอ (CVD), การไพโรไลซิสของพอลิเมอร์ หรือเฟสของเหลว การเคลือบ.
คุณสมบัติ:
- เปลือกคาร์บอนช่วยให้เกิดเส้นทางการนำไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง
- ช่วยยับยั้งการขยายตัวของปริมาตรซิลิคอนออกด้านนอก
- แยกซิลิคอนออกจากสารอิเล็กโทรไลต์โดยตรง
- ช่วยเพิ่มเสถียรภาพในการปั่นจักรยานและประสิทธิภาพทางคูลอมบ์
- การควบคุมความหนาของคาร์บอนอย่างแม่นยำนั้นมีความสำคัญอย่างยิ่ง
โครงสร้างฝังตัว / โครงสร้างกระจายตัว
แนวคิด:
อนุภาคนาโนซิลิคอนกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอภายในเมทริกซ์คาร์บอนต่อเนื่อง คล้ายกับ "ลูกเกดที่ฝังอยู่ในขนมปัง"“
กระบวนการ:
นาโนซิลิคอน (<100 นาโนเมตร) ถูกผสมกับสารตั้งต้นของคาร์บอน (เรซิน น้ำมันดิน ฯลฯ) จากนั้นจึงทำการเผาไหม้เพื่อให้ได้เมทริกซ์คอมโพสิต.
คุณสมบัติ:
- เมทริกซ์คาร์บอนทำหน้าที่เป็นเฟสดูดซับแรงกดดันอย่างต่อเนื่อง
- ป้องกันการจับตัวเป็นก้อนของซิลิคอน
- ปรับปรุงความแข็งแรงเชิงกลของอิเล็กโทรด
- ความสามารถระดับปานกลาง พร้อมประสิทธิภาพการปั่นจักรยานที่ดีขึ้นในระยะยาว
- ปรับขนาดได้ง่ายและคุ้มค่า
โครงสร้างพรุน / โครงสร้างโครงร่าง
แนวคิด:
โครงสร้างคาร์บอนที่มีรูพรุนและแข็งแรงช่วยสร้างช่องว่างภายในเพื่อรองรับการขยายตัวของซิลิคอน.
กระบวนการ:
ขั้นตอนแรกคือการเตรียมวัสดุคาร์บอนที่มีรูพรุน (เช่น ท่อนาโนคาร์บอน แอโรเจลกราฟีน ถ่านกัมมันต์) จากนั้นจึงทำการตกตะกอนหรือแทรกซึมซิลิคอน (เช่น CVD).
คุณสมบัติ:
- ปริมาตรช่องว่างภายในขนาดใหญ่ช่วยลดการขยายตัวได้อย่างมีประสิทธิภาพ
- เสถียรภาพโครงสร้างที่แข็งแกร่ง
- เส้นทางการลำเลียงลิเธียมไอออนและอิเล็กตรอนที่ยอดเยี่ยม
- ความสามารถในการจ่ายอัตราสูง
- กระบวนการผลิตที่ซับซ้อนและต้นทุนที่สูงขึ้น
โครงสร้างแบบพันธะ (ซิลิคอนออกไซด์–คาร์บอน, SiOₓ–C)
(ปัจจุบันเป็นเส้นทางที่มีอุตสาหกรรมมากที่สุด)
แนวคิด:
ซิลิคอนโมโนออกไซด์ (SiOₓ) ก่อตัวเป็นสารประกอบบัฟเฟอร์ในตัวเองระหว่างกระบวนการลิเธียมไอออน.
คุณสมบัติของวัสดุ:
เมื่อเกิดปฏิกิริยาลิเธียมไอออน จะเกิด SiOₓ ขึ้น:
- นาโนโดเมนซิลิคอนที่ออกฤทธิ์
- ลิเธียมซิลิเกต/ลิเธียมออกไซด์ที่ไม่ใช้งาน ทำหน้าที่เป็นบัฟเฟอร์ภายใน
กระบวนการ:
อนุภาค SiOₓ จะถูกผสมกับแหล่งคาร์บอน (น้ำมันดิน เรซิน) บดเป็นเม็ด และผ่านกระบวนการคาร์บอนไนเซชันเพื่อสร้างอนุภาคทุติยภูมิที่มีการยึดเกาะและเคลือบผิวด้วยคาร์บอน.
คุณสมบัติ:
- มีเสถียรภาพในการใช้งานที่เหนือกว่าเมื่อเทียบกับซิลิคอนบริสุทธิ์
- ประสิทธิภาพคูลอมบิกในรอบแรกต่ำกว่า (ต้องมีการเติมลิเธียมล่วงหน้า)
- โครงสร้างมีความแข็งแรงดีเยี่ยม
- นำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในแบตเตอรี่กำลังสูงระดับไฮเอนด์ (เช่น เซลล์ Tesla 4680)
- ปัจจุบัน เทคโนโลยีแอโนดที่ใช้ซิลิคอนเป็นส่วนประกอบที่พัฒนาเต็มที่ที่สุดในเชิงพาณิชย์
เทคโนโลยีการเตรียมการที่สำคัญ
การตกตะกอนด้วยไอสารเคมี (CVD)
การใช้งาน:
- การเคลือบคาร์บอนบนอนุภาคซิลิคอน
- การตกตะกอนของซิลิคอนภายในโครงสร้างคาร์บอนที่มีรูพรุน
ปุ่มควบคุมหลัก:
- อุณหภูมิ
- การไหลของก๊าซที่เป็นแหล่งคาร์บอน (มีเทน เอทิลีน ฯลฯ)
- เวลาสะสม
- ความหนาของชั้นคาร์บอนและระดับการเกิดกราไฟต์
กลไกพลังงานสูง การบดลูกบอล
การใช้งาน:
- การผสมทางกายภาพของซิลิคอนขนาดไมครอนกับกราไฟต์หรือ คาร์บอนสีดำ
- การปรับปรุงอนุภาคเบื้องต้นและการสร้างวัสดุผสม
ปุ่มควบคุมหลัก:
- ระยะเวลาและความเข้มข้นของการบด
- การควบคุมบรรยากาศ
- การป้องกันการปนเปื้อนและการเกิดอะมอร์ฟัสมากเกินไป
การอบแห้งแบบสเปรย์และการไพโรไลซิส
การใช้งาน:
- การก่อตัวของไมโครสเฟียร์ทุติยภูมิซิลิคอน-คาร์บอนที่มีความสม่ำเสมอ
กระบวนการ:
อนุภาคนาโนซิลิคอนและสารตั้งต้นคาร์บอน (เช่น ซูโครส โพลิเมอร์) จะถูกทำให้แห้งด้วยการพ่นสเปรย์ จากนั้นจึงนำไปผ่านกระบวนการคาร์บอนไนเซชัน.
ปุ่มควบคุมหลัก:
- การคัดเลือกสารตั้งต้น
- ขนาดหยดน้ำ
- สภาวะการสลายตัวด้วยความร้อน
เทคโนโลยีการเตรียมลิเธียมก่อนการรีดิวซ์ (กระบวนการสนับสนุนที่สำคัญ)
วัตถุประสงค์:
เพื่อชดเชยการสูญเสียลิเธียมที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ในระหว่างการก่อตัวของ SEI ในช่วงเริ่มต้น และปรับปรุงประสิทธิภาพคูลอมบิกในรอบแรก.
วิธีการ:
- การเติมลิเธียมโดยตรงที่ขั้วบวก (แผ่นฟอยล์ลิเธียมสัมผัส, ผงโลหะลิเธียมเสถียร – SLMP)
- การชดเชยลิเธียมที่แคโทด (สารเติมแต่งที่มีลิเธียมสูง)
ความสำคัญ:
การเติมลิเธียมก่อนการใช้งานเป็นปัจจัยสำคัญต่อความเป็นไปได้ทางการค้าของขั้วบวกซิลิคอน-คาร์บอน.
ความท้าทายทางเทคนิคและแนวโน้มการพัฒนา
ความท้าทายในปัจจุบัน
- ต้นทุนสูง
นาโนซิลิคอน การสังเคราะห์ SiOₓ และกระบวนการคอมโพสิตที่ซับซ้อนทำให้ต้นทุนการผลิตสูงขึ้น. - ความสมดุลระหว่างประสิทธิภาพในรอบแรกและอายุการใช้งานของวงจร
- ข้อจำกัดด้านความหนาแน่นของพลังงานเชิงปริมาตร
ความหนาแน่นของแรงดันต่ำและการรองรับการขยายตัวทำให้ประโยชน์เชิงปริมาตรที่ใช้งานได้จริงลดลง. - ความเข้ากันได้ของอิเล็กโทรไลต์
จำเป็นต้องใช้สารเติมแต่งอิเล็กโทรไลต์ชนิดพิเศษเพื่อสร้างชั้น SEI ที่แข็งแรง.
แนวโน้มการพัฒนาในอนาคต
- การออกแบบวัสดุขั้นสูง
การเปลี่ยนผ่านจากการปรับโครงสร้างระดับจุลภาคไปสู่การควบคุมระดับอะตอมและโมเลกุล. - การพัฒนานวัตกรรมกระบวนการและการลดต้นทุน
การพัฒนาเทคโนโลยีนาโนซิลิคอนและวัสดุผสมที่มีต้นทุนต่ำและปรับขนาดได้. - การบูรณาการระบบเซลล์แบบเต็มรูปแบบ
การพัฒนาร่วมกันโดยใช้แคโทดที่มีนิกเกิลสูง อิเล็กโทรไลต์ขั้นสูง และแบตเตอรี่โซลิดสเตท. - การเพิ่มปริมาณซิลิคอน
เพิ่มปริมาณ TP3T จาก 5–101 ไปสู่ซิลิคอน >201 TP3T อย่างค่อยเป็นค่อยไป ในขณะที่ยังคงรักษาเสถียรภาพของรอบการทำงานไว้.
บทสรุป
หัวใจสำคัญของเทคโนโลยีขั้วบวกซิลิคอน-คาร์บอนอยู่ที่ “การสร้างโครงสร้างระดับนาโน + การผสมวัสดุ + วิศวกรรมโครงสร้าง”
ด้วยการผสมผสานความจุสูงพิเศษของซิลิคอนเข้ากับคุณสมบัติการบัฟเฟอร์และการนำไฟฟ้าของคาร์บอนอย่างชาญฉลาด ทำให้สามารถใช้ประโยชน์จากข้อดีของซิลิคอนพร้อมทั้งลดข้อเสียโดยธรรมชาติของมันได้.
ในปัจจุบัน วัสดุคอมโพสิต SiOₓ–C ประสบความสำเร็จในการผลิตเชิงพาณิชย์ในวงกว้าง ในขณะที่วัสดุคอมโพสิตนาโนซิลิคอน-คาร์บอนแสดงถึงทิศทางในอนาคตสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่มีความหนาแน่นพลังงานสูงขึ้นไปอีก เมื่อเทคโนโลยีการผลิตพัฒนาขึ้นและต้นทุนลดลงอย่างต่อเนื่อง ขั้วบวกซิลิคอน-คาร์บอนก็พร้อมที่จะกลายเป็นโครงสร้างมาตรฐานในแบตเตอรี่ประสิทธิภาพสูงรุ่นต่อไป.
ขอบคุณที่อ่านนะคะ หวังว่าบทความของฉันจะเป็นประโยชน์นะคะ แสดงความคิดเห็นไว้ด้านล่างได้เลยค่ะ หรือหากมีข้อสงสัยเพิ่มเติม สามารถติดต่อตัวแทนฝ่ายบริการลูกค้าออนไลน์ของ Zelda ได้ค่ะ
— โพสต์โดย เอมิลี่ เฉิน