Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου αναπτύσσονται κυρίως προς την κατεύθυνση της υψηλής ενεργειακής πυκνότητας. Σε θερμοκρασία δωματίου, τα υλικά αρνητικών ηλεκτροδίων με βάση το πυρίτιο συνδυάζονται με λίθιο για να παράγουν προϊόν πλούσιο σε λίθιο σε φάση Li3.75Si, με ειδική χωρητικότητα έως 3572 mAh/g, η οποία είναι πολύ υψηλότερη από τη θεωρητική ειδική χωρητικότητα του αρνητικού ηλεκτροδίου γραφίτη 372 mAh/g. Ωστόσο, κατά τη διάρκεια της επαναλαμβανόμενης διαδικασίας φόρτισης και εκφόρτισης των υλικών αρνητικών ηλεκτροδίων με βάση το πυρίτιο, ο μετασχηματισμός φάσης του Si και του Li3.75Si μπορεί να προκαλέσει τεράστια διαστολή όγκου (περίπου 300%), η οποία θα οδηγήσει σε δομική κονιοποίηση των υλικών ηλεκτροδίων και συνεχή σχηματισμό μεμβράνης SEI, και τελικά θα προκαλέσει ταχεία μείωση της χωρητικότητας. Η βιομηχανία βελτιώνει κυρίως την απόδοση των υλικών αρνητικών ηλεκτροδίων με βάση το πυρίτιο και τη σταθερότητα των μπαταριών με βάση το πυρίτιο μέσω νανοδιαστασιολόγησης, επίστρωσης άνθρακα, σχηματισμού πόρων και άλλων τεχνολογιών.
Τα υλικά άνθρακα έχουν καλή αγωγιμότητα, χαμηλό κόστος και ευρεία πηγή. Μπορούν να βελτιώσουν την αγωγιμότητα και την επιφανειακή σταθερότητα των υλικών με βάση το πυρίτιο. Χρησιμοποιούνται κατά προτίμηση ως πρόσθετα βελτίωσης της απόδοσης για αρνητικά ηλεκτρόδια με βάση το πυρίτιο. Τα υλικά πυριτίου-άνθρακα αποτελούν την κύρια κατεύθυνση ανάπτυξης των αρνητικών ηλεκτροδίων με βάση το πυρίτιο. Η επίστρωση άνθρακα μπορεί να βελτιώσει την επιφανειακή σταθερότητα των υλικών με βάση το πυρίτιο, αλλά η ικανότητά της να αναστέλλει την ογκομετρική διαστολή του πυριτίου είναι γενική και δεν μπορεί να λύσει το πρόβλημα της ογκομετρικής διαστολής του πυριτίου. Επομένως, για να βελτιωθεί η σταθερότητα των υλικών με βάση το πυρίτιο, πρέπει να κατασκευαστούν πορώδεις δομές. Η άλεση με σφαιρίδια είναι μια βιομηχανοποιημένη μέθοδος για την παρασκευή νανοϋλικών. Διαφορετικά πρόσθετα ή συστατικά υλικών μπορούν να προστεθούν στον πολτό που λαμβάνεται με άλεση με σφαιρίδια σύμφωνα με τις απαιτήσεις σχεδιασμού του σύνθετου υλικού. Ο πολτός διασκορπίζεται ομοιόμορφα μέσω διαφόρων πολτών και ξηραίνεται με ψεκασμό. Κατά τη διάρκεια της στιγμιαίας διαδικασίας ξήρανσης, τα νανοσωματίδια και άλλα συστατικά στον πολτό θα σχηματίσουν αυθόρμητα πορώδη δομικά χαρακτηριστικά. Αυτή η εργασία χρησιμοποιεί βιομηχανοποιημένη και φιλική προς το περιβάλλον τεχνολογία άλεσης με σφαιρίδια και ξήρανσης με ψεκασμό για την παρασκευή πορωδών υλικών με βάση το πυρίτιο.
Η απόδοση των υλικών με βάση το πυρίτιο μπορεί επίσης να βελτιωθεί με τη ρύθμιση της μορφολογίας και των χαρακτηριστικών κατανομής των νανοϋλικών πυριτίου. Προς το παρόν, έχουν παρασκευαστεί υλικά με βάση το πυρίτιο με διάφορες μορφολογίες και χαρακτηριστικά κατανομής, όπως νανοράβδοι πυριτίου, νανοπυρίτιο ενσωματωμένο σε πορώδη γραφίτη, νανοπυρίτιο κατανεμημένο σε σφαίρες άνθρακα, πορώδεις δομές συστοιχίας πυριτίου/γραφενίου κ.λπ. Στην ίδια κλίμακα, σε σύγκριση με τα νανοσωματίδια, τα νανοφύλλα μπορούν να καταστείλουν καλύτερα το πρόβλημα σύνθλιψης που προκαλείται από την ογκοδιαστολή και το υλικό έχει υψηλότερη πυκνότητα συμπύκνωσης. Η άτακτη στοίβαξη των νανοφύλλων μπορεί επίσης να σχηματίσει μια πορώδη δομή. Για να ενταχθεί η ομάδα ανταλλαγής αρνητικών ηλεκτροδίων πυριτίου. Να παρέχεται ένας χώρος buffer για την ογκοδιαστολή των υλικών πυριτίου. Η εισαγωγή νανοσωλήνων άνθρακα (CNTs) μπορεί όχι μόνο να βελτιώσει την αγωγιμότητα του υλικού, αλλά και να προωθήσει τον σχηματισμό πορωδών δομών του υλικού λόγω των μονοδιάστατων μορφολογικών χαρακτηριστικών του. Δεν υπάρχουν αναφορές για πορώδεις δομές που κατασκευάζονται από νανοφύλλα πυριτίου και CNTs. Αυτή η εργασία υιοθετεί τις βιομηχανικά εφαρμόσιμες μεθόδους άλεσης με σφαιρίδια, λείανσης και διασποράς, ξήρανσης με ψεκασμό, προ-επικάλυψης με άνθρακα και πύρωσης, και εισάγει πορώδεις υποκινητές στη διαδικασία παρασκευής για την παρασκευή πορωδών υλικών αρνητικών ηλεκτροδίων με βάση το πυρίτιο που σχηματίζονται με αυτοσυναρμολόγηση νανοφύλλων πυριτίου και CNT. Η διαδικασία παρασκευής είναι απλή, φιλική προς το περιβάλλον και δεν παράγονται υγρά απόβλητα ή υπολείμματα αποβλήτων. Υπάρχουν πολλές βιβλιογραφικές αναφορές σχετικά με την επικάλυψη με άνθρακα υλικών με βάση το πυρίτιο, αλλά υπάρχουν λίγες εις βάθος συζητήσεις σχετικά με την επίδραση της επικάλυψης. Αυτή η εργασία χρησιμοποιεί την άσφαλτο ως πηγή άνθρακα για να διερευνήσει τις επιδράσεις δύο μεθόδων επικάλυψης με άνθρακα, της επικάλυψης υγρής φάσης και της επικάλυψης στερεάς φάσης, στην επίδραση επικάλυψης και την απόδοση των υλικών αρνητικών ηλεκτροδίων με βάση το πυρίτιο.
1 Πείραμα
1.1 Προετοιμασία υλικού
Η παρασκευή πορωδών σύνθετων υλικών πυριτίου-άνθρακα περιλαμβάνει κυρίως πέντε βήματα: άλεση με σφαιρίδια, άλεση και διασπορά, ξήρανση με ψεκασμό, προ-επικάλυψη άνθρακα και ενανθράκωση. Αρχικά, ζυγίζονται 500 g αρχικής σκόνης πυριτίου (εγχώριας, καθαρότητας 99,99%), προστίθενται 2000 g ισοπροπανόλης και εκτελείται υγρή άλεση με σφαιρίδια με ταχύτητα άλεσης με σφαιρίδια 2000 r/min για 24 ώρες για να ληφθεί νανοπολτός πυριτίου. Ο λαμβανόμενος πολτός πυριτίου μεταφέρεται σε δεξαμενή μεταφοράς διασποράς και τα υλικά προστίθενται σύμφωνα με την αναλογία μάζας πυριτίου: γραφίτη (που παράγεται στη Σαγκάη, ποιότητας μπαταρίας): νανοσωλήνες άνθρακα (που παράγεται στην Τιαντζίν, ποιότητας μπαταρίας): πολυβινυλοπυρρολιδόνη (που παράγεται στην Τιαντζίν, αναλυτικής ποιότητας) = 40:60:1,5:2. Η ισοπροπανόλη χρησιμοποιείται για τη ρύθμιση της περιεκτικότητας σε στερεά και η περιεκτικότητα σε στερεά έχει σχεδιαστεί να είναι 15%. Η άλεση και η διασπορά εκτελούνται με ταχύτητα διασποράς 3500 r/min για 4 ώρες. Συγκρίνεται μια άλλη ομάδα πολτών χωρίς προσθήκη CNTs, και τα άλλα υλικά είναι τα ίδια. Ο λαμβανόμενος διασπαρμένος πολτός μεταφέρεται στη συνέχεια σε μια δεξαμενή τροφοδοσίας ξήρανσης με ψεκασμό και η ξήρανση με ψεκασμό πραγματοποιείται σε ατμόσφαιρα προστατευμένη από άζωτο, με θερμοκρασίες εισόδου και εξόδου 180 και 90 °C, αντίστοιχα. Στη συνέχεια, συγκρίθηκαν δύο τύποι επικάλυψης άνθρακα, η επίστρωση στερεάς φάσης και η επίστρωση υγρής φάσης. Η μέθοδος επικάλυψης στερεάς φάσης είναι: η ξηρανθείσα με ψεκασμό σκόνη αναμειγνύεται με 20% σκόνη ασφάλτου (κατασκευασμένη στην Κορέα, D50 είναι 5 μm), αναμειγνύεται σε μηχανικό αναμικτήρα για 10 λεπτά και η ταχύτητα ανάμειξης είναι 2000 r/min για να ληφθεί προ-επικαλυμμένη σκόνη. Η μέθοδος επικάλυψης υγρής φάσης είναι: η ξηρανθείσα με ψεκασμό σκόνη προστίθεται σε ένα διάλυμα ξυλολίου (κατασκευασμένο στην Τιαντζίν, αναλυτικής ποιότητας) που περιέχει 20% άσφαλτο διαλυμένο στη σκόνη σε περιεκτικότητα σε στερεά 55%, και αναδεύεται ομοιόμορφα υπό κενό. Ψήνεται σε φούρνο κενού στους 85℃ για 4 ώρες, τοποθετείται σε μηχανικό αναμικτήρα για ανάμειξη, η ταχύτητα ανάμειξης είναι 2000 r/min και ο χρόνος ανάμειξης είναι 10 λεπτά για να ληφθεί προ-επικαλυμμένη σκόνη. Τέλος, η προ-επικαλυμμένη σκόνη φρύσσεται σε περιστροφικό κλίβανο υπό ατμόσφαιρα αζώτου με ρυθμό θέρμανσης 5°C/min. Αρχικά διατηρείται σε σταθερή θερμοκρασία 550°C για 2 ώρες, στη συνέχεια συνεχίζεται η θέρμανση στους 800°C και διατηρείται σε σταθερή θερμοκρασία για 2 ώρες, και στη συνέχεια ψύχεται φυσικά κάτω από τους 100°C και εκκενώνεται για να ληφθεί ένα σύνθετο υλικό πυριτίου-άνθρακα.
1.2 Μέθοδοι χαρακτηρισμού
Η κατανομή μεγέθους σωματιδίων του υλικού αναλύθηκε χρησιμοποιώντας ένα δοκιμαστικό μέγεθος σωματιδίων (έκδοση Mastersizer 2000, κατασκευασμένο στο Ηνωμένο Βασίλειο). Οι σκόνες που ελήφθησαν σε κάθε βήμα ελέγχθηκαν με ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (Regulus8220, κατασκευασμένο στην Ιαπωνία) για να εξεταστεί η μορφολογία και το μέγεθος των σκονών. Η δομή φάσεων του υλικού αναλύθηκε χρησιμοποιώντας έναν αναλυτή περίθλασης ακτίνων Χ σε σκόνη (D8 ADVANCE, κατασκευασμένο στη Γερμανία) και η στοιχειακή σύνθεση του υλικού αναλύθηκε χρησιμοποιώντας έναν αναλυτή ενεργειακού φάσματος. Το ληφθέν σύνθετο υλικό πυριτίου-άνθρακα χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή ενός ημιστοιχείου κουμπιού μοντέλου CR2032 και η αναλογία μάζας πυριτίου-άνθρακα: SP: CNT: CMC: SBR ήταν 92:2:2:1,5:2,5. Το αντίθετο ηλεκτρόδιο είναι ένα μεταλλικό φύλλο λιθίου, ο ηλεκτρολύτης είναι ένας εμπορικός ηλεκτρολύτης (μοντέλο 1901, κατασκευασμένος στην Κορέα), χρησιμοποιείται διάφραγμα Celgard 2320, το εύρος τάσης φόρτισης και εκφόρτισης είναι 0,005-1,5 V, το ρεύμα φόρτισης και εκφόρτισης είναι 0,1 C (1C = 1A) και το ρεύμα αποκοπής εκφόρτισης είναι 0,05 C.
Για την περαιτέρω διερεύνηση της απόδοσης των σύνθετων υλικών πυριτίου-άνθρακα, κατασκευάστηκε η μικρή, πολυστρωματική μπαταρία 408595. Το θετικό ηλεκτρόδιο χρησιμοποιεί NCM811 (κατασκευασμένο στο Χουνάν, ποιότητας μπαταρίας) και ο γραφίτης του αρνητικού ηλεκτροδίου είναι εμπλουτισμένος με 8% υλικό πυριτίου-άνθρακα. Ο τύπος του πολτού θετικού ηλεκτροδίου είναι 96% NCM811, 1,2% πολυβινυλιδενοφθορίδιο (PVDF), 2% αγώγιμο μέσο SP, 0,8% CNT και το NMP χρησιμοποιείται ως διασπορέας. Ο τύπος του πολτού αρνητικού ηλεκτροδίου είναι 96% σύνθετο υλικό αρνητικού ηλεκτροδίου, 1,3% CMC, 1,5% SBR, 1,2% CNT και νερό χρησιμοποιείται ως διασπορέας. Μετά από ανάδευση, επικάλυψη, κύλιση, κοπή, ελασματοποίηση, συγκόλληση με γλωττίδες, συσκευασία, ψήσιμο, έγχυση υγρού, σχηματισμό και διαίρεση χωρητικότητας, παρασκευάστηκαν οι μικρές, πολυστρωματικές μπαταρίες 408595 με ονομαστική χωρητικότητα 3 Ah. Δοκιμάστηκαν η απόδοση ρυθμού φόρτισης 0,2C, 0,5C, 1C, 2C και 3C και η απόδοση κύκλου φόρτισης 0,5C και εκφόρτισης 1C. Το εύρος τάσης φόρτισης και εκφόρτισης ήταν 2,8-4,2 V, σταθερό ρεύμα και σταθερή τάση φόρτισης, και το ρεύμα αποκοπής ήταν 0,5C.
2 Αποτελέσματα και Συζήτηση
Η αρχική σκόνη πυριτίου παρατηρήθηκε με ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM). Η σκόνη πυριτίου ήταν ακανόνιστα κοκκώδης με μέγεθος σωματιδίων μικρότερο από 2μm, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1(α). Μετά την άλεση με σφαιρίδια, το μέγεθος της σκόνης πυριτίου μειώθηκε σημαντικά σε περίπου 100 nm [Σχήμα 1(β)]. Η δοκιμή μεγέθους σωματιδίων έδειξε ότι το D50 της σκόνης πυριτίου μετά την άλεση με σφαιρίδια ήταν 110 nm και το D90 ήταν 175 nm. Μια προσεκτική εξέταση της μορφολογίας της σκόνης πυριτίου μετά την άλεση με σφαιρίδια δείχνει μια νιφαδωτή δομή (ο σχηματισμός της νιφαδωτής δομής θα επαληθευτεί περαιτέρω από το SEM διατομής αργότερα). Επομένως, τα δεδομένα D90 που ελήφθησαν από τη δοκιμή μεγέθους σωματιδίων θα πρέπει να είναι η διάσταση μήκους του νανοφύλλου. Σε συνδυασμό με τα αποτελέσματα του SEM, μπορεί να κριθεί ότι το μέγεθος του ληφθέντος νανοφύλλου είναι μικρότερο από την κρίσιμη τιμή των 150 nm της θραύσης της σκόνης πυριτίου κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση σε τουλάχιστον μία διάσταση. Ο σχηματισμός της μορφολογίας των φολίδων οφείλεται κυρίως στις διαφορετικές ενέργειες διάστασης των κρυσταλλικών επιπέδων του κρυσταλλικού πυριτίου, μεταξύ των οποίων το επίπεδο {111} του πυριτίου έχει χαμηλότερη ενέργεια διάστασης από τα κρυσταλλικά επίπεδα {100} και {110}. Επομένως, αυτό το κρυσταλλικό επίπεδο λεπταίνει πιο εύκολα με σφαιρική άλεση και τελικά σχηματίζει μια φυλλοειδή δομή. Η φυλλοειδής δομή ευνοεί τη συσσώρευση χαλαρών δομών, διατηρεί χώρο για την ογκομετρική διαστολή του πυριτίου και βελτιώνει τη σταθερότητα του υλικού.
Το πολτό που περιείχε νανοπυρίτιο, CNT και γραφίτη ψεκάστηκε και η σκόνη πριν και μετά τον ψεκασμό εξετάστηκε με SEM. Τα αποτελέσματα φαίνονται στο Σχήμα 2. Η μήτρα γραφίτη που προστέθηκε πριν από τον ψεκασμό είναι μια τυπική δομή νιφάδων με μέγεθος από 5 έως 20 μm [Σχήμα 2(α)]. Η δοκιμή κατανομής μεγέθους σωματιδίων του γραφίτη δείχνει ότι το D50 είναι 15μm. Η σκόνη που λαμβάνεται μετά τον ψεκασμό έχει σφαιρική μορφολογία [Σχήμα 2(β)] και μπορεί να φανεί ότι ο γραφίτης επικαλύπτεται από το στρώμα επικάλυψης μετά τον ψεκασμό. Το D50 της σκόνης μετά τον ψεκασμό είναι 26,2 μm. Τα μορφολογικά χαρακτηριστικά των δευτερογενών σωματιδίων παρατηρήθηκαν με SEM, δείχνοντας τα χαρακτηριστικά μιας χαλαρής πορώδους δομής που συσσωρεύεται από νανοϋλικά [Σχήμα 2(γ)]. Η πορώδης δομή αποτελείται από νανοφύλλα πυριτίου και CNT που είναι συνυφασμένα μεταξύ τους [Σχήμα 2(δ)] και η ειδική επιφάνεια δοκιμής (BET) είναι έως και 53,3 m2/g. Επομένως, μετά τον ψεκασμό, τα νανοφύλλα πυριτίου και οι νανοσωλήνες CNT αυτοσυναρμολογούνται για να σχηματίσουν μια πορώδη δομή.
Το πορώδες στρώμα υποβλήθηκε σε επεξεργασία με επίστρωση υγρού άνθρακα και, μετά την προσθήκη προδρόμου επικάλυψης άνθρακα και την ενανθράκωση, πραγματοποιήθηκε παρατήρηση SEM. Τα αποτελέσματα φαίνονται στο Σχήμα 3. Μετά την προ-επικάλυψη άνθρακα, η επιφάνεια των δευτερογενών σωματιδίων γίνεται λεία, με ένα εμφανές στρώμα επικάλυψης, και η επικάλυψη ολοκληρώνεται, όπως φαίνεται στα Σχήματα 3(α) και (β). Μετά την ενανθράκωση, το επιφανειακό στρώμα επικάλυψης διατηρεί μια καλή κατάσταση επικάλυψης [Σχήμα 3(γ)]. Επιπλέον, η εικόνα διατομής SEM δείχνει νανοσωματίδια σε σχήμα λωρίδας [Σχήμα 3(δ)], τα οποία αντιστοιχούν στα μορφολογικά χαρακτηριστικά των νανοφύλλων, επαληθεύοντας περαιτέρω τον σχηματισμό νανοφύλλων πυριτίου μετά από σφαιρική άλεση. Επιπλέον, το Σχήμα 3(δ) δείχνει ότι υπάρχουν πληρωτικά μεταξύ ορισμένων νανοφύλλων. Αυτό οφείλεται κυρίως στη χρήση της μεθόδου επικάλυψης υγρής φάσης. Το ασφαλτικό διάλυμα θα διεισδύσει στο υλικό, έτσι ώστε η επιφάνεια των εσωτερικών νανοφύλλων πυριτίου να αποκτά ένα προστατευτικό στρώμα επικάλυψης άνθρακα. Επομένως, χρησιμοποιώντας επίστρωση υγρής φάσης, εκτός από την επίτευξη του φαινομένου της δευτερογενούς επίστρωσης σωματιδίων, μπορεί επίσης να επιτευχθεί το φαινόμενο διπλής επίστρωσης άνθρακα της πρωτογενούς επίστρωσης σωματιδίων. Η ανθρακωμένη σκόνη δοκιμάστηκε με BET και το αποτέλεσμα της δοκιμής ήταν 22,3 m2/g.
Η ανθρακωμένη σκόνη υποβλήθηκε σε ανάλυση ενεργειακού φάσματος εγκάρσιας διατομής (EDS) και τα αποτελέσματα φαίνονται στο Σχήμα 4(α). Ο πυρήνας μεγέθους μικρού αποτελείται από το συστατικό C, που αντιστοιχεί στη μήτρα γραφίτη, και η εξωτερική επικάλυψη περιέχει πυρίτιο και οξυγόνο. Για την περαιτέρω διερεύνηση της δομής του πυριτίου, πραγματοποιήθηκε δοκιμή περίθλασης ακτίνων Χ (XRD) και τα αποτελέσματα φαίνονται στο Σχήμα 4(β). Το υλικό αποτελείται κυρίως από γραφίτη και μονοκρυσταλλικό πυρίτιο, χωρίς εμφανή χαρακτηριστικά οξειδίου του πυριτίου, γεγονός που υποδηλώνει ότι το συστατικό οξυγόνου της δοκιμής ενεργειακού φάσματος προέρχεται κυρίως από τη φυσική οξείδωση της επιφάνειας του πυριτίου. Το σύνθετο υλικό πυριτίου-άνθρακα καταγράφεται ως S1.
Το παρασκευασμένο υλικό πυριτίου-άνθρακα S1 υποβλήθηκε σε δοκιμές παραγωγής ημιστοιχείων τύπου κουμπιού και φόρτισης-εκφόρτισης. Η πρώτη καμπύλη φόρτισης-εκφόρτισης φαίνεται στο Σχήμα 5. Η αναστρέψιμη ειδική χωρητικότητα είναι 1000,8 mAh/g και η απόδοση του πρώτου κύκλου φτάνει έως και το 93,9%, η οποία είναι υψηλότερη από την πρώτη απόδοση των περισσότερων υλικών με βάση το πυρίτιο χωρίς προ-λιθίωση που αναφέρονται στη βιβλιογραφία. Η υψηλή πρώτη απόδοση υποδεικνύει ότι το παρασκευασμένο σύνθετο υλικό πυριτίου-άνθρακα έχει υψηλή σταθερότητα. Προκειμένου να επαληθευτούν οι επιδράσεις της πορώδους δομής, του αγώγιμου δικτύου και της επίστρωσης άνθρακα στη σταθερότητα των υλικών πυριτίου-άνθρακα, παρασκευάστηκαν δύο τύποι υλικών πυριτίου-άνθρακα χωρίς προσθήκη CNT και χωρίς πρωτογενή επίστρωση άνθρακα.
Η μορφολογία της ανθρακωμένης σκόνης του σύνθετου υλικού πυριτίου-άνθρακα χωρίς την προσθήκη CNT φαίνεται στο Σχήμα 6. Μετά την επικάλυψη και την ενανθράκωση σε υγρή φάση, ένα στρώμα επικάλυψης μπορεί να φανεί καθαρά στην επιφάνεια των δευτερογενών σωματιδίων στο Σχήμα 6(α). Η διατομή SEM του ανθρακωμένου υλικού φαίνεται στο Σχήμα 6(β). Η στοίβαξη νανοφύλλων πυριτίου έχει πορώδη χαρακτηριστικά και η δοκιμή BET είναι 16,6 m2/g. Ωστόσο, σε σύγκριση με την περίπτωση με CNT [όπως φαίνεται στο Σχήμα 3(δ), η δοκιμή BET της ανθρακωμένης σκόνης του είναι 22,3 m2/g], η εσωτερική πυκνότητα στοίβαξης νανο-πυριτίου είναι υψηλότερη, υποδεικνύοντας ότι η προσθήκη CNT μπορεί να προωθήσει τον σχηματισμό μιας πορώδους δομής. Επιπλέον, το υλικό δεν διαθέτει τρισδιάστατο αγώγιμο δίκτυο κατασκευασμένο από CNT. Το σύνθετο υλικό πυριτίου-άνθρακα καταγράφεται ως S2.
Τα μορφολογικά χαρακτηριστικά του σύνθετου υλικού πυριτίου-άνθρακα που παρασκευάζεται με επίστρωση άνθρακα στερεάς φάσης φαίνονται στο Σχήμα 7. Μετά την ενανθράκωση, υπάρχει ένα εμφανές στρώμα επικάλυψης στην επιφάνεια, όπως φαίνεται στο Σχήμα 7(α). Το Σχήμα 7(β) δείχνει ότι υπάρχουν νανοσωματίδια σε σχήμα λωρίδας στην εγκάρσια τομή, τα οποία αντιστοιχούν στα μορφολογικά χαρακτηριστικά των νανοφύλλων. Η συσσώρευση νανοφύλλων σχηματίζει μια πορώδη δομή. Δεν υπάρχει εμφανές πληρωτικό στην επιφάνεια των εσωτερικών νανοφύλλων, υποδεικνύοντας ότι η επίστρωση άνθρακα στερεάς φάσης σχηματίζει μόνο ένα στρώμα επικάλυψης άνθρακα με πορώδη δομή και δεν υπάρχει εσωτερικό στρώμα επικάλυψης για τα νανοφύλλα πυριτίου. Αυτό το σύνθετο υλικό πυριτίου-άνθρακα καταγράφεται ως S3.
Η δοκιμή φόρτισης και εκφόρτισης ημιστοιχείου τύπου κουμπιού διεξήχθη στα S2 και S3. Η ειδική χωρητικότητα και η πρώτη απόδοση του S2 ήταν 1120,2 mAh/g και 84,8% αντίστοιχα, και η ειδική χωρητικότητα και η πρώτη απόδοση του S3 ήταν 882,5 mAh/g και 82,9% αντίστοιχα. Η ειδική χωρητικότητα και η πρώτη απόδοση του δείγματος S3 με επικάλυψη στερεάς φάσης ήταν οι χαμηλότερες, υποδεικνύοντας ότι πραγματοποιήθηκε μόνο η επικάλυψη άνθρακα της πορώδους δομής και δεν πραγματοποιήθηκε η επικάλυψη άνθρακα των εσωτερικών νανοφύλλων πυριτίου, γεγονός που δεν μπόρεσε να δώσει πλήρη απόδοση στην ειδική χωρητικότητα του υλικού με βάση το πυρίτιο και δεν μπόρεσε να προστατεύσει την επιφάνεια του υλικού με βάση το πυρίτιο. Η πρώτη απόδοση του δείγματος S2 χωρίς CNT ήταν επίσης χαμηλότερη από αυτή του σύνθετου υλικού πυριτίου-άνθρακα που περιείχε CNT, υποδεικνύοντας ότι με βάση ένα καλό στρώμα επικάλυψης, το αγώγιμο δίκτυο και ο υψηλότερος βαθμός πορώδους δομής συμβάλλουν στη βελτίωση της απόδοσης φόρτισης και εκφόρτισης του υλικού πυριτίου-άνθρακα.
Το υλικό πυριτίου-άνθρακα S1 χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή μιας μικρής μπαταρίας soft-pack πλήρους χωρητικότητας, για να εξεταστεί η απόδοση του ρυθμού και η απόδοση του κύκλου. Η καμπύλη του ρυθμού εκφόρτισης φαίνεται στο Σχήμα 8(α). Οι χωρητικότητες εκφόρτισης των 0,2C, 0,5C, 1C, 2C και 3C είναι 2,970, 2,999, 2,920, 2,176 και 1,021 Ah, αντίστοιχα. Ο ρυθμός εκφόρτισης 1C φτάνει το 98,3%, αλλά ο ρυθμός εκφόρτισης 2C μειώνεται στο 73,3% και ο ρυθμός εκφόρτισης 3C μειώνεται περαιτέρω στο 34,4%. Για να συμμετάσχετε στην ομάδα ανταλλαγής αρνητικών ηλεκτροδίων πυριτίου, προσθέστε το WeChat: shimobang. Όσον αφορά τον ρυθμό φόρτισης, οι χωρητικότητες φόρτισης 0,2C, 0,5C, 1C, 2C και 3C είναι 3,186, 3,182, 3,081, 2,686 και 2,289 Ah, αντίστοιχα. Ο ρυθμός φόρτισης 1C είναι 96,7% και ο ρυθμός φόρτισης 2C εξακολουθεί να φτάνει το 84,3%. Ωστόσο, παρατηρώντας την καμπύλη φόρτισης στο Σχήμα 8(β), η πλατφόρμα φόρτισης 2C είναι σημαντικά μεγαλύτερη από την πλατφόρμα φόρτισης 1C και η χωρητικότητα φόρτισης σταθερής τάσης αντιπροσωπεύει το μεγαλύτερο μέρος (55%), υποδεικνύοντας ότι η πόλωση της επαναφορτιζόμενης μπαταρίας 2C είναι ήδη πολύ μεγάλη. Το υλικό πυριτίου-άνθρακα έχει καλή απόδοση φόρτισης και εκφόρτισης στον 1C, αλλά τα δομικά χαρακτηριστικά του υλικού πρέπει να βελτιωθούν περαιτέρω για να επιτευχθεί υψηλότερη απόδοση ρυθμού. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 9, μετά από 450 κύκλους, ο ρυθμός διατήρησης χωρητικότητας είναι 78%, δείχνοντας καλή απόδοση κύκλου.
Η κατάσταση της επιφάνειας του ηλεκτροδίου πριν και μετά τον κύκλο διερευνήθηκε με SEM και τα αποτελέσματα φαίνονται στο Σχήμα 10. Πριν από τον κύκλο, η επιφάνεια του γραφίτη και των υλικών πυριτίου-άνθρακα είναι διαυγής [Σχήμα 10(α)]. μετά τον κύκλο, ένα στρώμα επικάλυψης δημιουργείται προφανώς στην επιφάνεια [Σχήμα 10(β)], η οποία είναι μια παχιά μεμβράνη SEI. Τραχύτητα μεμβράνης SEI Η κατανάλωση ενεργού λιθίου είναι υψηλή, γεγονός που δεν ευνοεί την απόδοση του κύκλου. Επομένως, η προώθηση του σχηματισμού μιας λείας μεμβράνης SEI (όπως η κατασκευή τεχνητής μεμβράνης SEI, η προσθήκη κατάλληλων προσθέτων ηλεκτρολυτών κ.λπ.) μπορεί να βελτιώσει την απόδοση του κύκλου. Η παρατήρηση διατομής SEM των σωματιδίων πυριτίου-άνθρακα μετά τον κύκλο [Σχήμα 10(γ)] δείχνει ότι τα αρχικά νανοσωματίδια πυριτίου σε σχήμα λωρίδας έχουν γίνει πιο χονδρά και η πορώδης δομή έχει ουσιαστικά εξαλειφθεί. Αυτό οφείλεται κυρίως στη συνεχή διαστολή και συστολή του υλικού πυριτίου-άνθρακα κατά τη διάρκεια του κύκλου. Επομένως, η πορώδης δομή πρέπει να ενισχυθεί περαιτέρω για να παρέχει επαρκή χώρο buffer για την διαστολή του όγκου του υλικού με βάση το πυρίτιο.
3 Συμπέρασμα
Με βάση την ογκομετρική διαστολή, την κακή αγωγιμότητα και την κακή σταθερότητα διεπαφής των υλικών αρνητικών ηλεκτροδίων με βάση το πυρίτιο, η παρούσα εργασία κάνει στοχευμένες βελτιώσεις, από τη μορφολογική διαμόρφωση των νανοφύλλων πυριτίου, την κατασκευή πορώδους δομής, την κατασκευή αγώγιμου δικτύου και την πλήρη επικάλυψη με άνθρακα ολόκληρων των δευτερογενών σωματιδίων, για τη βελτίωση της σταθερότητας των υλικών αρνητικών ηλεκτροδίων με βάση το πυρίτιο στο σύνολό τους. Η συσσώρευση νανοφύλλων πυριτίου μπορεί να σχηματίσει μια πορώδη δομή. Η εισαγωγή CNT θα προωθήσει περαιτέρω τον σχηματισμό μιας πορώδους δομής. Το σύνθετο υλικό πυριτίου-άνθρακα που παρασκευάζεται με επικάλυψη υγρής φάσης έχει διπλό αποτέλεσμα επικάλυψης άνθρακα από αυτό που παρασκευάζεται με επικάλυψη στερεάς φάσης και παρουσιάζει υψηλότερη ειδική χωρητικότητα και πρώτη απόδοση. Επιπλέον, η πρώτη απόδοση του σύνθετου υλικού πυριτίου-άνθρακα που περιέχει CNT είναι υψηλότερη από αυτή χωρίς CNT, η οποία οφείλεται κυρίως στον υψηλότερο βαθμό ικανότητας της πορώδους δομής να μετριάσει την ογκομετρική διαστολή των υλικών με βάση το πυρίτιο. Η εισαγωγή CNT θα κατασκευάσει ένα τρισδιάστατο αγώγιμο δίκτυο, θα βελτιώσει την αγωγιμότητα των υλικών με βάση το πυρίτιο και θα δείξει καλή απόδοση ρυθμού στον 1°C. και το υλικό παρουσιάζει καλή απόδοση κύκλου. Ωστόσο, η πορώδης δομή του υλικού πρέπει να ενισχυθεί περαιτέρω για να παρέχει επαρκή χώρο buffer για την ογκομετρική διαστολή του πυριτίου και να προωθήσει τον σχηματισμό ενός λείουκαι πυκνή μεμβράνη SEI για περαιτέρω βελτίωση της κυκλικής απόδοσης του σύνθετου υλικού πυριτίου-άνθρακα.
Παρέχουμε επίσης προϊόντα γραφίτη και καρβιδίου του πυριτίου υψηλής καθαρότητας, τα οποία χρησιμοποιούνται ευρέως στην επεξεργασία πλακιδίων όπως η οξείδωση, η διάχυση και η ανόπτηση.
Καλωσορίζουμε πελάτες από όλο τον κόσμο να μας επισκεφτούν για περαιτέρω συζήτηση!
https://www.vet-china.com/
Ώρα δημοσίευσης: 13 Νοεμβρίου 2024