Litiumioonbatterye ontwikkel hoofsaaklik in die rigting van hoë energiedigtheid. By kamertemperatuur, silikon-gebaseerde negatiewe elektrodemateriaal legering met litium om litiumryke produk Li3.75Si fase te produseer, met 'n spesifieke kapasiteit van tot 3572 mAh/g, wat baie hoër is as die teoretiese spesifieke kapasiteit van grafiet negatiewe elektrode 372 mAh/g. Tydens die herhaalde laai- en ontladingsproses van silikon-gebaseerde negatiewe elektrodemateriale, kan die fasetransformasie van Si en Li3.75Si egter groot volume-uitbreiding (ongeveer 300%) produseer, wat sal lei tot strukturele verpoeiering van elektrodemateriale en voortdurende vorming van SEI film, en uiteindelik veroorsaak dat die kapasiteit vinnig daal. Die bedryf verbeter hoofsaaklik die werkverrigting van silikon-gebaseerde negatiewe elektrodemateriaal en die stabiliteit van silikon-gebaseerde batterye deur nano-grootte, koolstofbedekking, porieëvorming en ander tegnologieë.
Koolstofmateriale het goeie geleidingsvermoë, lae koste en wye bronne. Hulle kan die geleidingsvermoë en oppervlakstabiliteit van silikon-gebaseerde materiale verbeter. Hulle word by voorkeur gebruik as bymiddels vir prestasieverbetering vir silikon-gebaseerde negatiewe elektrodes. Silikon-koolstofmateriale is die hoofstroom-ontwikkelingsrigting van silikon-gebaseerde negatiewe elektrodes. Koolstofbedekking kan die oppervlakstabiliteit van silikon-gebaseerde materiale verbeter, maar die vermoë daarvan om silikonvolume-uitbreiding te inhibeer is algemeen en kan nie die probleem van silikonvolume-uitbreiding oplos nie. Daarom, om die stabiliteit van silikon-gebaseerde materiale te verbeter, moet poreuse strukture gebou word. Kogelmaal is 'n geïndustrialiseerde metode vir die voorbereiding van nanomateriale. Verskillende bymiddels of materiaalkomponente kan volgens die ontwerpvereistes van die saamgestelde materiaal by die flodder gevoeg word wat deur kogelmaal verkry word. Die flodder word eweredig deur verskeie flodders versprei en gespuitdroog. Tydens die oombliklike droogproses sal die nanopartikels en ander komponente in die flodder spontaan poreuse strukturele eienskappe vorm. Hierdie vraestel gebruik geïndustrialiseerde en omgewingsvriendelike balmaal- en spuitdroogtegnologie om poreuse silikon-gebaseerde materiale voor te berei.
Die werkverrigting van silikon-gebaseerde materiale kan ook verbeter word deur die morfologie en verspreidingseienskappe van silikon-nanomateriale te reguleer. Tans is silikon-gebaseerde materiale met verskeie morfologieë en verspreidingskenmerke voorberei, soos silikon nanorods, poreuse grafiet ingebedde nanosilikon, nanosilikon versprei in koolstofsfere, silikon/grafeen-skikking poreuse strukture, ens. Op dieselfde skaal, in vergelyking met nanopartikels , kan nanoplate die drukprobleem wat deur volume-uitbreiding veroorsaak word, beter onderdruk, en die materiaal het 'n hoër verdigtingsdigtheid. Die ongeordende stapel van nanovelle kan ook 'n poreuse struktuur vorm. Om by die silikon negatiewe elektrode-uitruilgroep aan te sluit. Voorsien 'n bufferspasie vir die volume-uitbreiding van silikonmateriale. Die bekendstelling van koolstofnanobuise (CNTs) kan nie net die geleidingsvermoë van die materiaal verbeter nie, maar ook die vorming van poreuse strukture van die materiaal bevorder as gevolg van sy eendimensionele morfologiese eienskappe. Daar is geen verslae oor poreuse strukture wat deur silikon-nanovelle en CNT's gebou is nie. Hierdie vraestel neem die industrieel toepaslike balmaal-, maal- en dispersie-, spuitdroog-, koolstofvoorbedekkings- en kalsineringsmetodes aan, en stel poreuse promotors bekend in die voorbereidingsproses om poreuse silikon-gebaseerde negatiewe elektrodemateriale te berei wat gevorm word deur selfsamestelling van silikon nanoplate en CNT'e. Die voorbereidingsproses is eenvoudig, omgewingsvriendelik, en geen afvalvloeistof of afvalresidu word gegenereer nie. Daar is baie literatuurverslae oor koolstofbedekking van silikon-gebaseerde materiale, maar daar is min in-diepte besprekings oor die effek van bedekking. Hierdie vraestel gebruik asfalt as die koolstofbron om die uitwerking van twee koolstofbedekkingsmetodes, vloeistoffasebedekking en vastefasebedekking, op die bedekkingseffek en die werkverrigting van silikon-gebaseerde negatiewe elektrodemateriaal te ondersoek.
1 Eksperiment
1.1 Materiaalvoorbereiding
Die voorbereiding van poreuse silikon-koolstof saamgestelde materiale sluit hoofsaaklik vyf stappe in: balmaal, maal en dispersie, spuitdroging, koolstofvoorbedekking en karbonisasie. Weeg eers 500 g aanvanklike silikonpoeier (huishoudelik, 99.99% suiwerheid), voeg 2000 g isopropanol by en voer nat balmaal teen 'n balmaalspoed van 2000 r/min vir 24 uur uit om nanoskaal silikonmis te verkry. Die verkrygde silikonmis word na 'n dispersie-oordragtenk oorgedra, en die materiaal word bygevoeg volgens die massaverhouding van silikon: grafiet (vervaardig in Sjanghai, batterygraad): koolstofnanobuise (geproduseer in Tianjin, batterygraad): polivinielpirrolidon (vervaardig in Tianjin, analitiese graad) = 40:60:1.5:2. Isopropanol word gebruik om die vastestofinhoud aan te pas, en die vastestofinhoud is ontwerp om 15% te wees. Maal en dispersie word uitgevoer teen 'n dispersiespoed van 3500 r/min vir 4 uur. 'n Ander groep flodders sonder om CNT's by te voeg, word vergelyk, en die ander materiale is dieselfde. Die verkregen gedispergeerde flodder word dan na 'n spuitdroogvoertenk oorgeplaas en spuitdroging word in 'n stikstofbeskermde atmosfeer uitgevoer, met die inlaat- en uitlaattemperature onderskeidelik 180 en 90 °C. Daarna is twee tipes koolstofbedekking vergelyk, vastefasebedekking en vloeistoffasebedekking. Die vastefase-bedekkingsmetode is: die gesproeidroogde poeier word gemeng met 20% asfaltpoeier (vervaardig in Korea, D50 is 5 μm), gemeng in 'n meganiese menger vir 10 min, en die mengspoed is 2000 r/min om te verkry voorafbedekte poeier. Die vloeistoffase-bedekkingsmetode is: die gespuitdroogde poeier word by 'n xileenoplossing (gemaak in Tianjin, analitiese graad) gevoeg wat 20% asfalt bevat wat in die poeier opgelos is teen 'n vastestofinhoud van 55%, en eweredig vakuumgeroer. Bak in 'n vakuumoond by 85℃ vir 4 uur, sit in 'n meganiese menger vir meng, die mengspoed is 2000 r/min, en die mengtyd is 10 min om voorafbedekte poeier te verkry. Laastens is die voorafbedekte poeier in 'n draai-oond onder 'n stikstofatmosfeer teen 'n verhittingstempo van 5°C/min gekalsineer. Dit is eers vir 2 uur by 'n konstante temperatuur van 550°C gehou, daarna aangehou om tot 800°C te verhit en vir 2 uur op 'n konstante temperatuur gehou, en dan natuurlik tot onder 100°C afgekoel en ontslaan om 'n silikon-koolstof te verkry. saamgestelde materiaal.
1.2 Karakteriseringsmetodes
Die deeltjiegrootteverspreiding van die materiaal is ontleed met behulp van 'n deeltjiegrootte-toetser (Mastersizer 2000-weergawe, gemaak in die VK). Die poeiers wat in elke stap verkry is, is getoets deur skandeerelektronmikroskopie (Regulus8220, vervaardig in Japan) om die morfologie en grootte van die poeiers te ondersoek. Die fasestruktuur van die materiaal is ontleed met behulp van 'n X-straal poeier diffraksie analiseerder (D8 ADVANCE, vervaardig in Duitsland), en die elementêre samestelling van die materiaal is ontleed met behulp van 'n energiespektrum ontleder. Die verkrygde silikon-koolstof saamgestelde materiaal is gebruik om 'n knop halfsel van model CR2032 te maak, en die massaverhouding van silikon-koolstof: SP: CNT: CMC: SBR was 92:2:2:1.5:2.5. Die teenelektrode is 'n metaallitiumplaat, die elektroliet is 'n kommersiële elektroliet (model 1901, vervaardig in Korea), Celgard 2320 diafragma word gebruik, die lading- en ontladingsspanningreeks is 0,005-1,5 V, die lading- en ontladingsstroom is 0,1 C (1C = 1A), en die ontladingsafsnystroom is 0,05 C.
Om die werkverrigting van silikon-koolstof saamgestelde materiale verder te ondersoek, is gelamineerde klein sagtepakbattery 408595 gemaak. Die positiewe elektrode gebruik NCM811 (gemaak in Hunan, battery graad), en die negatiewe elektrode grafiet is gedoteer met 8% silikon-koolstof materiaal. Die positiewe elektrode-suspensieformule is 96% NCM811, 1,2% polivinielideenfluoried (PVDF), 2% geleidende middel SP, 0,8% CNT, en NMP word as 'n dispergeermiddel gebruik; die negatiewe elektrode suspensie formule is 96% saamgestelde negatiewe elektrode materiaal, 1,3% CMC, 1,5% SBR 1,2% CNT, en water word as 'n dispergeermiddel gebruik. Na geroer, bedek, rol, sny, laminering, tabsweiswerk, verpakking, bak, vloeistofinspuiting, vorming en kapasiteitsverdeling, is 408595 gelamineerde klein sagtepakbatterye met 'n geskatte kapasiteit van 3 Ah voorberei. Die tempo prestasie van 0.2C, 0.5C, 1C, 2C en 3C en die siklusprestasie van 0.5C lading en 1C ontlading is getoets. Die laai- en ontladingsspanningreeks was 2,8-4,2 V, konstante stroom en konstante spanningslaai, en die afsnystroom was 0,5C.
2 Resultate en bespreking
Die aanvanklike silikonpoeier is waargeneem deur skandeerelektronmikroskopie (SEM). Die silikonpoeier was onreëlmatig korrelvormig met 'n deeltjiegrootte van minder as 2μm, soos getoon in Figuur 1(a). Na balmaal is die grootte van die silikonpoeier aansienlik verminder tot ongeveer 100 nm [Figuur 1(b)]. Die deeltjiegroottetoets het getoon dat die D50 van die silikonpoeier na balmaal 110 nm was en die D90 175 nm. 'n Noukeurige ondersoek van die morfologie van silikonpoeier na kogelmaal toon 'n skilferige struktuur (die vorming van die skilferige struktuur sal later verder geverifieer word vanaf die deursnee-SEM). Daarom moet die D90-data verkry uit die deeltjiegrootte-toets die lengtedimensie van die nanovel wees. Gekombineer met die SEM-resultate, kan dit beoordeel word dat die grootte van die verkregen nanovel kleiner is as die kritieke waarde van 150 nm van die breek van silikonpoeier tydens laai en ontlading in ten minste een dimensie. Die vorming van die skilferige morfologie is hoofsaaklik te wyte aan die verskillende dissosiasie-energieë van die kristalvlakke van kristallyne silikon, waaronder die {111} vlak van silikon 'n laer dissosiasie-energie as die {100} en {110} kristalvlakke het. Daarom word hierdie kristalvlak makliker verdun deur balmaal, en vorm uiteindelik 'n skilferige struktuur. Die skilferige struktuur is bevorderlik vir die ophoping van los strukture, behou ruimte vir die volume-uitbreiding van silikon, en verbeter die stabiliteit van die materiaal.
Die flodder wat nano-silikon, CNT en grafiet bevat is gespuit, en die poeier voor en na bespuiting is deur SEM ondersoek. Die resultate word in Figuur 2 getoon. Die grafietmatriks wat bygevoeg is voor bespuiting is 'n tipiese vlokstruktuur met 'n grootte van 5 tot 20 μm [Figuur 2(a)]. Die deeltjiegrootteverspreidingstoets van grafiet toon dat D50 15μm is. Die poeier wat na bespuiting verkry word, het 'n sferiese morfologie [Figuur 2(b)], en dit kan gesien word dat die grafiet na bespuiting deur die deklaag bedek is. Die D50 van die poeier na bespuiting is 26,2 μm. Die morfologiese kenmerke van die sekondêre deeltjies is deur SEM waargeneem, wat die kenmerke toon van 'n los poreuse struktuur wat deur nanomateriale opgehoop is [Figuur 2(c)]. Die poreuse struktuur is saamgestel uit silikon-nanovelle en CNT'e wat met mekaar verweef is [Figuur 2(d)], en die toetsspesifieke oppervlakte (BET) is so hoog as 53.3 m2/g. Daarom, na bespuiting, sit silikon-nanovelle en CNT's self saam om 'n poreuse struktuur te vorm.
Die poreuse laag is met vloeibare koolstofbedekking behandel, en na die toevoeging van koolstofbedekkingvoorlopersteek en karbonisasie, is SEM-waarneming uitgevoer. Die resultate word in Figuur 3 getoon. Na koolstofvoorbedekking word die oppervlak van die sekondêre deeltjies glad, met 'n duidelike bedekkingslaag, en die deklaag is voltooi, soos getoon in Figuur 3(a) en (b). Na karbonisasie behou die oppervlakbedekkingslaag 'n goeie bedekkingstoestand [Figuur 3(c)]. Daarbenewens toon die deursnee-SEM-beeld strookvormige nanopartikels [Figuur 3(d)], wat ooreenstem met die morfologiese kenmerke van nanoplate, wat die vorming van silikonnanovelle na balmaalwerk verder verifieer. Daarbenewens toon Figuur 3(d) dat daar vullers tussen sommige nanovelle is. Dit is hoofsaaklik te wyte aan die gebruik van vloeibare fase coating metode. Die asfaltoplossing sal in die materiaal binnedring, sodat die oppervlak van die interne silikon-nanovelle 'n koolstofbedekking beskermende laag verkry. Daarom, deur gebruik te maak van vloeibare fase-bedekking, kan benewens die verkryging van die sekondêre deeltjie-bedekking-effek, die dubbele koolstofbedekking-effek van primêre deeltjiebedekking ook verkry word. Die verkoolde poeier is deur BET getoets, en die toetsresultaat was 22,3 m2/g.
Die verkoolde poeier is aan deursnee-energiespektrumanalise (EDS) onderwerp en die resultate word in Figuur 4(a) getoon. Die mikrongrootte kern is C-komponent, wat ooreenstem met die grafietmatriks, en die buitenste laag bevat silikon en suurstof. Om die struktuur van silikon verder te ondersoek, is 'n X-straaldiffraksie (XRD) toets uitgevoer, en die resultate word in Figuur 4(b) getoon. Die materiaal is hoofsaaklik saamgestel uit grafiet en enkel-kristal silikon, met geen ooglopende silikonoksied eienskappe, wat aandui dat die suurstof komponent van die energie spektrum toets hoofsaaklik afkomstig is van die natuurlike oksidasie van die silikon oppervlak. Die silikon-koolstof saamgestelde materiaal word aangeteken as S1.
Die voorbereide silikon-koolstof materiaal S1 is onderwerp aan knoppie-tipe halfsel produksie en lading-ontlading toetse. Die eerste lading-ontlading-kurwe word in Figuur 5 getoon. Die omkeerbare spesifieke kapasiteit is 1000,8 mAh/g, en die eerste siklus doeltreffendheid is so hoog as 93,9%, wat hoër is as die eerste doeltreffendheid van die meeste silikon-gebaseerde materiale sonder pre- litiasie wat in die literatuur gerapporteer word. Die hoë eerste doeltreffendheid dui aan dat die voorbereide silikon-koolstof saamgestelde materiaal hoë stabiliteit het. Om die uitwerking van poreuse struktuur, geleidende netwerk en koolstofbedekking op die stabiliteit van silikon-koolstofmateriale te verifieer, is twee tipes silikon-koolstofmateriale voorberei sonder om CNT by te voeg en sonder primêre koolstofbedekking.
Die morfologie van die verkoolde poeier van die silikon-koolstof saamgestelde materiaal sonder die byvoeging van CNT word in Figuur 6 getoon. Na vloeistoffasebedekking en karbonisasie kan 'n deklaag duidelik op die oppervlak van die sekondêre deeltjies in Figuur 6(a) gesien word. Die deursnee-SEM van die verkoolde materiaal word in Figuur 6(b) getoon. Die stapel van silikon-nanovelle het poreuse eienskappe, en die BET-toets is 16,6 m2/g. In vergelyking met die geval met CNT [soos getoon in Figuur 3(d), die BET-toets van sy verkoolde poeier is 22,3 m2/g], is die interne nano-silikon stapeldigtheid egter hoër, wat aandui dat die byvoeging van CNT kan bevorder die vorming van 'n poreuse struktuur. Daarbenewens het die materiaal nie 'n driedimensionele geleidende netwerk wat deur CNT gebou is nie. Die silikon-koolstof saamgestelde materiaal word aangeteken as S2.
Die morfologiese kenmerke van die silikon-koolstof saamgestelde materiaal wat deur soliede-fase koolstof coating berei word, word in Figuur 7 getoon. Na karbonisasie is daar 'n duidelike deklaag op die oppervlak, soos getoon in Figuur 7(a). Figuur 7(b) toon dat daar strookvormige nanopartikels in die dwarssnit is, wat ooreenstem met die morfologiese kenmerke van nanovelle. Die ophoping van nanovelle vorm 'n poreuse struktuur. Daar is geen ooglopende vuller op die oppervlak van die interne nanoplate nie, wat aandui dat die soliede-fase koolstofbedekking slegs 'n koolstofbedekkingslaag met 'n poreuse struktuur vorm, en daar is geen interne bedekkingslaag vir die silikonnanovelle nie. Hierdie silikon-koolstof saamgestelde materiaal word aangeteken as S3.
Die knoppie-tipe halfsel lading en ontlading toets is uitgevoer op S2 en S3. Die spesifieke kapasiteit en eerste doeltreffendheid van S2 was onderskeidelik 1120.2 mAh/g en 84.8%, en die spesifieke kapasiteit en eerste doeltreffendheid van S3 was onderskeidelik 882.5 mAh/g en 82.9%. Die spesifieke kapasiteit en eerste doeltreffendheid van die vastefase-bedekte S3-monster was die laagste, wat aandui dat slegs die koolstofbedekking van die poreuse struktuur uitgevoer is, en die koolstofbedekking van die interne silikon-nanovelle nie uitgevoer is nie, wat nie volle speling kon gee nie. aan die spesifieke kapasiteit van die silikon-gebaseerde materiaal en kon nie die oppervlak van die silikon-gebaseerde materiaal beskerm nie. Die eerste doeltreffendheid van die S2-monster sonder CNT was ook laer as dié van die silikon-koolstof saamgestelde materiaal wat CNT bevat, wat aandui dat op grond van 'n goeie deklaag, die geleidende netwerk en 'n hoër mate van poreuse struktuur bevorderlik is vir die verbetering van die lading- en ontladingsdoeltreffendheid van die silikon-koolstofmateriaal.
Die S1 silikon-koolstof materiaal is gebruik om 'n klein sagte-pak vol battery te maak om die tempo prestasie en siklus prestasie te ondersoek. Die afvoertempo-kromme word in Figuur 8(a) getoon. Die ontladingskapasiteite van 0,2C, 0,5C, 1C, 2C en 3C is onderskeidelik 2,970, 2,999, 2,920, 2,176 en 1,021 Ah. Die 1C-ontladingstempo is so hoog as 98.3%, maar die 2C-ontladingstempo daal tot 73.3%, en die 3C-ontladingstempo daal verder tot 34.4%. Om by die silikon negatiewe elektrode-uitruilgroep aan te sluit, voeg asseblief WeChat: shimobang by. Wat die laaitempo betref, is die 0,2C, 0,5C, 1C, 2C en 3C laaivermoë onderskeidelik 3,186, 3,182, 3,081, 2,686 en 2,289 Ah. Die 1C-laaikoers is 96,7%, en die 2C-laaikoers bereik steeds 84,3%. As die laaikromme in Figuur 8(b) egter waargeneem word, is die 2C-laaiplatform aansienlik groter as die 1C-laaiplatform, en sy konstante spanning-laaikapasiteit is verantwoordelik vir die meeste (55%), wat aandui dat die polarisasie van die 2C-herlaaibare battery reeds baie groot. Die silikon-koolstofmateriaal het goeie laai- en ontladingsprestasie by 1C, maar die strukturele eienskappe van die materiaal moet verder verbeter word om hoër tempo-prestasie te behaal. Soos getoon in Figuur 9, na 450 siklusse, is die kapasiteitsbehoudkoers 78%, wat goeie siklusprestasie toon.
Die oppervlaktoestand van die elektrode voor en na die siklus is deur SEM ondersoek, en die resultate word in Figuur 10 getoon. Voor die siklus is die oppervlak van die grafiet- en silikon-koolstofmateriale duidelik [Figuur 10(a)]; na die siklus word 'n deklaag natuurlik op die oppervlak gegenereer [Figuur 10(b)], wat 'n dik SEI-film is. SEI film grofheidDie aktiewe litiumverbruik is hoog, wat nie bevorderlik is vir die siklusprestasie nie. Daarom kan die bevordering van die vorming van 'n gladde SEI-film (soos kunsmatige SEI-filmkonstruksie, byvoeging van geskikte elektrolietbymiddels, ens.) die siklusprestasie verbeter. Die deursnee-SEM-waarneming van die silikon-koolstofdeeltjies na die siklus [Figuur 10(c)] toon dat die oorspronklike strookvormige silikonnanopartikels growwer geword het en die poreuse struktuur basies uitgeskakel is. Dit is hoofsaaklik te wyte aan die voortdurende volume-uitsetting en sametrekking van die silikon-koolstofmateriaal gedurende die siklus. Daarom moet die poreuse struktuur verder verbeter word om voldoende bufferspasie vir die volume-uitbreiding van die silikon-gebaseerde materiaal te verskaf.
3 Gevolgtrekking
Gebaseer op die volume-uitbreiding, swak geleidingsvermoë en swak koppelvlakstabiliteit van silikon-gebaseerde negatiewe elektrodemateriale, maak hierdie vraestel doelgerigte verbeterings, van die morfologie vorming van silikon nanoplate, poreuse struktuur konstruksie, geleidende netwerk konstruksie en volledige koolstofbedekking van die hele sekondêre deeltjies , om die stabiliteit van silikon-gebaseerde negatiewe elektrodemateriaal as geheel te verbeter. Die ophoping van silikon nanoplate kan 'n poreuse struktuur vorm. Die bekendstelling van CNT sal die vorming van 'n poreuse struktuur verder bevorder. Die silikon-koolstof-saamgestelde materiaal wat deur vloeibare fase-bedekking berei word, het 'n dubbele koolstofbedekkingseffek as dié wat deur vastefase-bedekking voorberei word, en vertoon 'n hoër spesifieke kapasiteit en eerste doeltreffendheid. Daarbenewens is die eerste doeltreffendheid van die silikon-koolstof saamgestelde materiaal wat CNT bevat hoër as dié sonder CNT, wat hoofsaaklik te wyte is aan die hoër mate van poreuse struktuur se vermoë om die volume-uitsetting van silikon-gebaseerde materiale te verlig. Die bekendstelling van CNT sal 'n driedimensionele geleidende netwerk bou, die geleidingsvermoë van silikongebaseerde materiale verbeter en goeie tempoprestasie by 1C toon; en die materiaal toon goeie siklusprestasie. Die poreuse struktuur van die materiaal moet egter verder versterk word om voldoende bufferspasie vir die volume-uitbreiding van silikon te verskaf, en die vorming van 'n gladdeen digte SEI-film om die siklusprestasie van die silikon-koolstof saamgestelde materiaal verder te verbeter.
Ons verskaf ook hoësuiwer grafiet- en silikonkarbiedprodukte, wat wyd gebruik word in wafelverwerking soos oksidasie, diffusie en uitgloeiing.
Welkom enige kliënte van regoor die wêreld om ons te besoek vir 'n verdere bespreking!
https://www.vet-china.com/
Pos tyd: Nov-13-2024