Vật liệu anot silic-cacbon (Si-C) Chúng được coi là một trong những công nghệ then chốt cho phép phát triển pin lithium-ion mật độ năng lượng cao thế hệ tiếp theo. Chúng được thiết kế để khắc phục hạn chế vốn có của cực dương than chì thông thường, có dung lượng riêng lý thuyết chỉ là 372 mAh/g, và để tạo ra bước nhảy vọt lớn về mật độ năng lượng của pin.
I. Tại sao nên chọn silicon? Tại sao phải là vật liệu composite?
Những ưu điểm vượt trội của silicon
- Dung lượng lý thuyết cực cao
Silicon nguyên chất có dung lượng riêng lý thuyết xấp xỉ 4200 mAh/g, gấp hơn mười lần so với than chì. - Điện thế chèn lithium thích hợp
Cao hơn một chút so với than chì, mang lại độ an toàn được cải thiện và giảm nguy cơ lắng đọng lithium. - Nguồn tài nguyên dồi dào và thân thiện với môi trường
Silicon có sẵn rộng rãi và không gây hại cho môi trường.
Những nhược điểm nghiêm trọng của silicon (“Gót chân Achilles’)
- Hạt nghiêm trọng nghiền nát
Sự nứt vỡ cơ học trong quá trình chu kỳ hoạt động dẫn đến mất tiếp xúc điện và tách rời khỏi bộ thu dòng điện. - Lớp giao diện điện phân rắn (SEI) không ổn định
Sự đứt gãy và tái tạo liên tục của lớp SEI tiêu hao chất điện giải và lithium, dẫn đến hiệu suất Coulomb thấp và suy giảm dung lượng nhanh chóng. - Sự mở rộng thể tích cực độ
Silicon có thể trải qua hơn... Mở rộng âm lượng 300% trong quá trình lithi hóa, gây ra:- Sự sụp đổ cấu trúc
- Điện cực bị nứt
- Mất khả năng dẫn điện
- Khả năng dẫn điện nội tại kém
Kém hơn đáng kể so với than chì.
Vai trò của “Carbon”
- ma trận đệm cơ học
Các vật liệu carbon dẻo (carbon vô định hình, than chì, graphene, v.v.) có khả năng thích ứng với sự thay đổi thể tích của silicon và ngăn ngừa sự hư hỏng cấu trúc. - Sự hình thành mạng dẫn điện
Carbon giúp cải thiện đáng kể độ dẫn điện tổng thể của vật liệu composite. - Ổn định SEI
Một lớp SEI ổn định hơn hình thành trên bề mặt carbon, hạn chế sự tiếp xúc trực tiếp quá mức giữa silicon và chất điện giải.
Do đó, thiết kế vật liệu composite silicon-carbon là một hướng đi công nghệ tất yếu để cân bằng giữa dung lượng cực cao và tuổi thọ chu kỳ dài.
Các quy trình sản xuất vật liệu composite silicon-carbon phổ biến
Khái niệm cốt lõi là thiết kế các cấu trúc silicon-carbon ở cấp độ nano để giảm thiểu ứng suất cơ học trong quá trình chu kỳ sạc/xả.
Cấu trúc lõi-vỏ (lớp phủ)
Ý tưởng:
Các hạt silicon được bao bọc bởi một lớp vỏ carbon đồng nhất.
Quá trình:
Các hạt nano silic hoặc oxit silic được phủ carbon thông qua hóa chất lắng đọng hơi (CVD), nhiệt phân polyme hoặc pha lỏng lớp phủ.
Đặc trưng:
- Lớp vỏ carbon cung cấp các đường dẫn điện liên tục.
- Ngăn chặn sự giãn nở thể tích ra bên ngoài của silicon
- Cách ly silicon khỏi sự tấn công trực tiếp của chất điện phân.
- Tăng cường độ ổn định khi đạp xe và hiệu suất Coulomb.
- Kiểm soát chính xác độ dày của lớp carbon là vô cùng quan trọng.
Cấu trúc nhúng / phân tán
Ý tưởng:
Các hạt nano silicon được phân tán đồng đều trong một ma trận carbon liên tục, tương tự như "những quả nho khô được nhúng trong bánh mì".“
Quá trình:
Silicon nano (<100 nm) được trộn với các tiền chất cacbon (nhựa, hắc ín, v.v.), sau đó được cacbon hóa để tạo thành một ma trận composite.
Đặc trưng:
- Ma trận carbon đóng vai trò như một pha hấp thụ ứng suất liên tục.
- Ngăn ngừa sự vón cục của silicon.
- Cải thiện tính toàn vẹn cơ học của điện cực
- Dung lượng vừa phải với hiệu suất đạp xe dài hạn được cải thiện.
- Có khả năng mở rộng tương đối và tiết kiệm chi phí.
Cấu trúc xốp / khung
Ý tưởng:
Khung carbon xốp cứng cáp cung cấp không gian rỗng bên trong để chứa sự giãn nở của silicon.
Quá trình:
Đầu tiên, các vật liệu carbon xốp (ống nano carbon, aerogel graphene, than hoạt tính) được chuẩn bị, sau đó là quá trình lắng đọng hoặc thẩm thấu silicon (ví dụ: CVD).
Đặc trưng:
- Thể tích khoảng trống bên trong lớn giúp giảm thiểu sự giãn nở một cách hiệu quả.
- Tính ổn định cấu trúc vững chắc
- Đường dẫn truyền ion liti và electron tuyệt vời
- Khả năng tốc độ cao
- Quy trình chế tạo phức tạp và chi phí cao hơn
Cấu trúc kiểu liên kết (Silicon Oxide–Carbon, SiOₓ–C)
(Hiện là tuyến đường công nghiệp hóa nhất)
Ý tưởng:
Silicon monoxit (SiOₓ) tạo thành một hợp chất tự đệm trong quá trình lithi hóa.
Đặc điểm vật liệu:
Khi lithi hóa, SiOₓ được hình thành:
- Các miền nano silicon hoạt động
- Các pha lithi silicat/lithi oxit không hoạt động đóng vai trò như chất đệm nội bộ.
Quá trình:
Các hạt SiOₓ được trộn với các nguồn carbon (nhựa đường, nhựa), nghiền thành hạt và cacbon hóa để tạo thành các hạt thứ cấp có liên kết và lớp phủ carbon.
Đặc trưng:
- Độ ổn định chu kỳ vượt trội so với silicon nguyên chất
- Hiệu suất Coulomb chu kỳ đầu tiên thấp hơn (yêu cầu tiền lithi hóa)
- Độ bền cấu trúc tuyệt vời
- Được ứng dụng rộng rãi trong các loại pin năng lượng cao cấp (ví dụ: pin Tesla 4680).
- Hiện nay, đây là công nghệ điện cực dương dựa trên silicon thương mại tiên tiến nhất.
Các công nghệ chuẩn bị chính
Phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD)
Ứng dụng:
- Lớp phủ carbon trên các hạt silicon
- Sự lắng đọng silicon bên trong khung carbon xốp
Các nút điều khiển chính:
- Nhiệt độ
- Dòng khí nguồn carbon (metan, etylen, v.v.)
- Thời gian lắng đọng
- Độ dày lớp cacbon và mức độ graphit hóa
Cơ học năng lượng cao Nghiền bi
Ứng dụng:
- Trộn vật lý silicon kích thước micromet với than chì hoặc muội than
- Tinh chỉnh hạt sơ bộ và hình thành vật liệu composite
Các nút điều khiển chính:
- Thời gian và cường độ xay
- Kiểm soát khí quyển
- Ngăn ngừa ô nhiễm và sự biến đổi quá mức về cấu trúc vô định hình
Sấy phun và nhiệt phân
Ứng dụng:
- Sự hình thành các vi cầu thứ cấp silicon-carbon đồng nhất
Quá trình:
Các hạt nano silicon và tiền chất carbon (ví dụ: sucrose, polyme) được sấy phun và sau đó được cacbon hóa.
Các nút điều khiển chính:
- Lựa chọn tiền chất
- Kích thước giọt
- Điều kiện phân hủy nhiệt
Công nghệ tiền lithi hóa (Quy trình hỗ trợ quan trọng)
Mục đích:
Để bù đắp cho sự mất mát lithium không thể phục hồi trong quá trình hình thành lớp SEI ban đầu và cải thiện hiệu suất Coulomb trong chu kỳ đầu tiên.
Phương pháp:
- Tiền lithi hóa anot trực tiếp (tiếp xúc bằng lá lithi, bột kim loại lithi ổn định – SLMP)
- Bù lithium ở cực âm (chất phụ gia giàu lithium)
Tầm quan trọng:
Quá trình tiền lithi hóa là yếu tố quyết định đến tính khả thi thương mại của các điện cực anot silicon-carbon.
Những thách thức kỹ thuật và xu hướng phát triển
Những thách thức hiện tại
- Chi phí cao
Việc tổng hợp nano-silicon, SiOₓ và các quy trình composite phức tạp làm tăng chi phí sản xuất. - Sự đánh đổi giữa hiệu suất chu kỳ đầu tiên và tuổi thọ chu kỳ.
- Giới hạn mật độ năng lượng thể tích
Mật độ vật liệu thấp và khả năng giãn nở hạn chế làm giảm lợi ích về thể tích thực tế đạt được. - Khả năng tương thích điện giải
Cần có các chất phụ gia điện phân chuyên dụng để tạo thành các lớp SEI bền vững.
Xu hướng phát triển trong tương lai
- Thiết kế vật liệu tiên tiến
Chuyển từ tối ưu hóa cấu trúc vi mô sang kiểm soát ở cấp độ nguyên tử và phân tử. - Đổi mới quy trình và giảm chi phí
Phát triển các công nghệ nano-silicon và vật liệu composite có khả năng mở rộng quy mô và chi phí thấp. - Tích hợp hệ thống tế bào hoàn chỉnh
Phát triển đồng thời với cực âm hàm lượng niken cao, chất điện phân tiên tiến và pin thể rắn. - Tăng hàm lượng silic
Tăng dần từ 5–10% lên >20% silicon, đồng thời duy trì tính ổn định chu kỳ.
Phần kết luận
Cốt lõi của công nghệ điện cực anot silicon-carbon nằm ở “cấu trúc nano + vật liệu tổng hợp + kỹ thuật kết cấu”.”
Bằng cách kết hợp một cách thông minh khả năng tích trữ cực cao của silicon với chức năng đệm và dẫn điện của carbon, người ta có thể khai thác tối đa ưu điểm của silicon đồng thời hạn chế những nhược điểm vốn có của nó.
Hiện nay, vật liệu composite SiOₓ–C đã được thương mại hóa trên quy mô lớn, trong khi vật liệu composite nano-silicon–carbon đại diện cho hướng đi tương lai để tạo ra pin lithium-ion có mật độ năng lượng cao hơn nữa. Khi công nghệ chế tạo ngày càng hoàn thiện và chi phí tiếp tục giảm, điện cực anot silicon–carbon sẽ trở thành cấu hình tiêu chuẩn trong các loại pin hiệu năng cao thế hệ tiếp theo.
Cảm ơn bạn đã đọc. Tôi hy vọng bài viết của tôi hữu ích. Vui lòng để lại bình luận bên dưới. Bạn cũng có thể liên hệ với bộ phận chăm sóc khách hàng trực tuyến của Zelda nếu có bất kỳ thắc mắc nào khác.
— Đăng bởi Emily Chen