Trong những năm gần đây, sự phát triển nhanh chóng của các loại xe năng lượng mới đã làm tăng nhu cầu về hiệu suất của pin. Vật liệu anot gốc than chì truyền thống có dung lượng riêng thấp và khó đáp ứng được nhu cầu. Silic có dung lượng lý thuyết cực kỳ cao, có thể cải thiện hiệu suất pin một cách hiệu quả. Nó có tiềm năng lớn để phát triển thành vật liệu anot. Vật liệu nguồn silicon, hình thái hạt và phương pháp xử lý ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của điện cực âm gốc silicon.
Chúng ta hãy cùng xem xét các nguồn silicon của điện cực âm dựa trên silicon.
Diatomite, Zeolite, cát và các nguồn khoáng chất silic khác
Khoáng sản Silic là nguồn silic phổ biến và phân bố rộng rãi nhất hiện nay. Nó chủ yếu tồn tại dưới dạng oxit silic và silicat, chẳng hạn như cát, zeolit, fenspat và đất sét. Khoáng vật silic có hàm lượng silic cao và các đặc tính như độ cứng cao, độ ổn định nhiệt và hóa chất tính ổn định. Một số khoáng chất silic chứa nhiều lỗ nhỏ trong cấu trúc vi mô của chúng, tạo cho chúng diện tích bề mặt riêng lớn. Điều này làm cho chúng phù hợp để chế tạo vật liệu anot gốc silic xốp.
Diatomit
Diatomit là một loại trầm tích được hình thành do sự tích tụ của những tàn tích tảo cát nhỏ từ các vùng biển cổ đại. Nó được phân bố rộng rãi dưới dạng đá silic có khả năng lưu trữ cao trên Trái Đất. Thành phần hóa học chính của đất tảo cát là SiO2, với hàm lượng tối đa lên tới 94%. Ngoài ra, nó còn chứa một lượng nhỏ tạp chất kim loại và chất hữu cơ. SiO2 thu được từ đất tảo cát có cấu trúc xốp tốt. So với các nguồn silic sinh khối, nó chứa ít cacbon hơn, nhưng hàm lượng silic lại cao hơn. Cấu trúc silica thể hiện cấu trúc mạng 3D độc đáo, có trật tự cao. Thông qua quá trình chiết xuất và kết hợp đơn giản, vật liệu nano-silicon xốp có thể được sử dụng để chế tạo anot gốc silic.
Clinoptilolite
Clinoptilolite chủ yếu bao gồm silicat, có hàm lượng silic cao (57%–70%) và cấu trúc kênh dạng lồng phức tạp. Cấu trúc này có lợi cho việc chế tạo vật liệu anot gốc silic xốp đồng đều. Các nhà nghiên cứu sử dụng phương pháp nghiền cơ học để mở các kênh truyền bên trong của clinoptilolite. Sau đó, họ áp dụng nhiệt để thúc đẩy phản ứng khử nhiệt magie, chiết xuất silic nguyên tố. Hơn nữa, phương pháp lắng đọng hơi được sử dụng để bẻ gãy toluen trên bề mặt của nano-silicon, tạo thành màng cacbon. Điều này dẫn đến cấu trúc giống như bọt biển của vật liệu điện cực âm gốc silic xốp nano. Các lỗ chân lông này đệm hiệu quả các thay đổi về thể tích của anot gốc silic trong các chu kỳ sạc và xả. Điều này đảm bảo tính toàn vẹn về mặt cơ học của vật liệu, với các ưu điểm như chuẩn bị đơn giản và độ ổn định chu kỳ tốt.
Cát
Thành phần chính của cát là thạch anh, có những ưu điểm như trữ lượng dồi dào, giá thành thấp và dễ khai thác so với các loại quặng silic khác. Tuy nhiên, silic dioxit trong cát được hình thành bởi một số lượng lớn tứ diện SiO4 liên kết thông qua các nguyên tử oxy chung, tạo thành mạng lưới silic-oxy mạnh. Cấu trúc này rất ổn định và khó sử dụng. Các nhà nghiên cứu sử dụng NaCl để hấp thụ nhiệt sinh ra trong quá trình khử magiê, ngăn ngừa sự tan chảy của các hạt. Nano-silicon được chiết xuất từ cát biển và nhiệt phân axetilen ở nhiệt độ cao được sử dụng để đạt được cacbon lớp phủ trên các hạt silicon. Điều này tạo ra vật liệu anot silicon-carbon được phủ tốt.
Nguồn Silic sinh khối như trấu và sậy
Thực vật giàu silic bao gồm vỏ trấu, sậy, mộc tặc, lá trà và tre. Hàm lượng silic thay đổi tùy theo từng loại cây. Trong sinh khối, silic chủ yếu tồn tại dưới dạng silica tự do trong thân, vỏ và lá. Các phản ứng hóa học được sử dụng để chuyển đổi nó thành silic xốp nguyên tố. Tiếp theo là quá trình phủ cacbon để chuẩn bị vật liệu điện cực âm gốc silic.
Silica trong sinh khối, sau khi khử, có thể giữ lại phần lớn cấu trúc xốp của nó. Trong quá trình chuẩn bị anot gốc silicon, một quy trình đơn giản có thể bảo toàn khung xốp của nó. Điều này làm tăng hiệu quả không gian bên trong của vật liệu, làm giảm sự giãn nở thể tích của silicon trong các chu kỳ sạc và xả. Sử dụng sinh khối làm nguồn silicon để chuẩn bị vật liệu điện cực âm gốc silicon có những ưu điểm như tính khả dụng rộng rãi và tính bền vững. Nó phù hợp với các khái niệm phát triển thân thiện với môi trường và ít carbon hiện tại, khiến nó trở thành nguồn silicon lý tưởng.
Trấu là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất gạo, với hơn 100 triệu tấn được sản xuất trên toàn cầu mỗi năm. Mặc dù thành phần của trấu thay đổi tùy theo giống và nguồn gốc, nhưng chủ yếu bao gồm lignin, cellulose, hemicellulose và silica. Thông thường, tro còn lại sau khi đốt trấu chiếm khoảng 20% khối lượng của trấu, với hàm lượng silica đạt 87–97%. Thông qua các phương pháp như nung, rửa, loại bỏ tạp chất và phản ứng khử, silic nguyên tố có thể được chiết xuất từ trấu. Silica trong trấu có cấu trúc xốp và các phản ứng đơn giản có thể tạo ra nanosilicon xốp 3D. Khi kết hợp với carbon hữu cơ, điều này làm tăng hiệu suất điện hóa của vật liệu.
Ngoài trấu, sậy cũng là vật liệu anode gốc silicon tốt. Chúng có silica nano được sắp xếp theo thứ tự và cấu trúc lớp 3D dạng vảy. Sử dụng phản ứng khử nhiệt magiê đơn giản, có thể thu được silicon 3D có độ xốp cao.
Silane và các nguồn khí hóa học khác
Các nguồn silicon dạng khí thường được sử dụng để chế tạo anot gốc silicon, bao gồm silane (SiH4), trichlorosilane (SiHCl3) và silicon tetrachloride (SiCl4). Các nguồn silicon dạng khí này có thể được sử dụng trong các kỹ thuật lắng đọng hơi như CVD để chế tạo nano-silicon trong các điều kiện thích hợp. Trong số đó, silane là nguồn silicon dạng khí chính được sử dụng để chế tạo anot gốc silicon. Silane, một hợp chất silicon-hydro, chủ yếu được sử dụng dưới dạng methylsilane (SiH4) cho mục đích này. Thông thường, phương pháp lắng đọng hơi được sử dụng, trong đó silane trải qua quá trình phân hủy để tạo ra nano-silicon bám dính vào chất nền.
Sau đó, lớp phủ carbon được tạo ra bằng cách phân hủy các khí chứa carbon, tạo ra vật liệu anot silicon-carbon.
Các nguồn silicon dạng khí thích hợp để chế tạo vật liệu anot silicon-carbon thế hệ tiếp theo. Bằng cách sản xuất các hạt nano-silicon nhỏ hơn và các sửa đổi bề mặt, chúng giải quyết hiệu quả vấn đề giãn nở thể tích trong quá trình sử dụng thực tế. Tuy nhiên, các nguồn silicon dạng khí (như silane) rất không ổn định, dễ cháy và độc hại. Do đó, cần kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ, áp suất và lưu lượng khí trong quá trình chế tạo và sử dụng để đảm bảo an toàn và ổn định. Điều này dẫn đến các yêu cầu cao hơn đối với thiết bị sản xuất, kiểm soát quy trình và tăng chi phí sản xuất.
Chất thải silicon quang điện và các vật liệu thải khác
Silicon quang điện thường đòi hỏi phải cắt và định hình trong quá trình sản xuất, dẫn đến chất thải silicon từ các cạnh và góc. Với việc sử dụng rộng rãi silicon quang điện, lượng chất thải silicon tạo ra ngày càng tăng theo từng năm. Chất thải silicon không đắt và dễ kiếm, có độ tinh khiết tương đối cao và hàm lượng tạp chất thấp. Thích hợp để chế tạo vật liệu anode gốc silicon.
Để giải quyết các vấn đề về quy trình chuẩn bị phức tạp và chi phí vật liệu cao, các nhà nghiên cứu đã sử dụng chất thải silicon cắt quang điện công nghiệp làm nguồn silicon. Thông qua quá trình nghiền bi năng lượng cao, silicon được giảm xuống kích thước nano. Sau đó, sucrose được sử dụng làm nguồn carbon để phủ nano-silicon, tạo ra vật liệu anot vi cầu Si@C. Phương pháp này giúp giảm chi phí vật liệu và đơn giản hóa quy trình chuẩn bị. Thiết kế cấu trúc lớp phủ bao bọc nano-silicon bên trong, ngăn không cho tiếp xúc trực tiếp với chất điện phân và giảm mức tiêu thụ chất điện phân. Nano-silicon trải qua các biến động về thể tích bên trong các quả cầu carbon, duy trì tiếp xúc tốt với vật liệu carbon và cho phép vận chuyển lithium-ion nhanh chóng.
Thủy tinh thạch anh tái chế, sau khi xử lý, cũng có thể tạo ra vật liệu anot silicon với hiệu suất chu kỳ ổn định. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng thủy tinh vỡ bỏ đi và thông qua quá trình khử nhiệt magiê, trực tiếp thu được mạng lưới kết nối Si. Sau khi phủ bề mặt bằng vật liệu carbon, vật liệu được lắp ráp thành pin. Ở mật độ dòng điện C/2, sau 400 chu kỳ, dung lượng vẫn ở mức 1420 mAh/g. Lớp phủ carbon trên bề mặt có hạn chế trong việc hạn chế sự giãn nở của vật liệu silicon, đây là lý do chính gây ra mất dung lượng đáng kể trong các chu kỳ ban đầu. Tuy nhiên, cấu trúc được giữ lại sau khi xử lý thủy tinh cung cấp khả năng chống giãn nở tuyệt vời, đạt được tỷ lệ duy trì dung lượng lên tới 74%.
Phần kết luận
Tóm lại, “silicon” trong anode gốc silicon có nguồn gốc từ nhiều nguồn khác nhau. Nó có thể được lấy từ khoáng chất, thực vật, vật liệu thải và nguồn silicon dạng khí. Với những tiến bộ công nghệ, việc sử dụng các nguồn silicon này đang trở nên hiệu quả và bền vững hơn. Các nguồn silicon đa dạng này cung cấp nhiều lựa chọn khác nhau để phát triển vật liệu anode gốc silicon. Điều này có tiềm năng thúc đẩy sự phát triển của các công nghệ pin hiệu suất cao hơn
Bột Epic
Bột Epic, Hơn 20 năm kinh nghiệm làm việc trong ngành bột siêu mịn. Tích cực thúc đẩy sự phát triển trong tương lai của bột siêu mịn, tập trung vào quá trình nghiền, xay, phân loại và sửa đổi bột siêu mịn. Liên hệ với chúng tôi để được tư vấn miễn phí và các giải pháp tùy chỉnh! Đội ngũ chuyên gia của chúng tôi tận tâm cung cấp các sản phẩm và dịch vụ chất lượng cao để tối đa hóa giá trị chế biến bột của bạn. Epic Powder—Chuyên gia chế biến bột đáng tin cậy của bạn!