Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου αναπτύσσονται κυρίως προς την κατεύθυνση της υψηλής ενεργειακής πυκνότητας. Σε θερμοκρασία δωματίου, κράμα υλικών αρνητικών ηλεκτροδίων με βάση το πυρίτιο με λίθιο για την παραγωγή προϊόντος πλούσιου σε λίθιο φάσης Li3.75Si, με ειδική χωρητικότητα έως 3572 mAh/g, η οποία είναι πολύ μεγαλύτερη από τη θεωρητική ειδική χωρητικότητα του αρνητικού ηλεκτροδίου γραφίτη 372 mAh/g. Ωστόσο, κατά τη διάρκεια της επαναλαμβανόμενης διαδικασίας φόρτισης και εκφόρτισης υλικών αρνητικών ηλεκτροδίων με βάση το πυρίτιο, ο μετασχηματισμός φάσης του Si και του Li3.75Si μπορεί να προκαλέσει τεράστια επέκταση όγκου (περίπου 300%), η οποία θα οδηγήσει σε δομική σκόνη των υλικών ηλεκτροδίων και συνεχή σχηματισμό φιλμ SEI, και τελικά προκαλούν ταχεία πτώση 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 νανο-μεγέθους, επικάλυψης άνθρακα, σχηματισμού πόρων και άλλων τεχνολογιών.
Τα υλικά άνθρακα έχουν καλή αγωγιμότητα, χαμηλό κόστος και μεγάλες πηγές. 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 είναι η 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 επέκταση του όγκου του πυριτίου είναι γενική και δεν μπορεί να λύσει το πρόβλημα της διαστολής του όγκου του πυριτίου. Επομένως, για να βελτιωθεί η σταθερότητα των υλικών με βάση το πυρίτιο, πρέπει να κατασκευαστούν πορώδεις δομές. Η άλεση με σφαίρες είναι μια βιομηχανοποιημένη μέθοδος για την παρασκευή νανοϋλικών. Διαφορετικά πρόσθετα ή συστατικά υλικού μπορούν να προστεθούν στον πολτό που λαμβάνεται με άλεση με σφαιρίδια σύμφωνα με τις απαιτήσεις σχεδιασμού του σύνθετου υλικού. Ο πολτός διασπείρεται ομοιόμορφα μέσα από διάφορους πολτούς και ξηραίνεται με ψεκασμό. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας στιγμιαίας ξήρανσης, τα νανοσωματίδια και άλλα συστατικά στον πολτό θα σχηματίσουν αυθόρμητα πορώδη δομικά χαρακτηριστικά. Αυτό το έγγραφο χρησιμοποιεί βιομηχανοποιημένη και φιλική προς το περιβάλλον τεχνολογία φρεζαρίσματος 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 με ενσωματωμένο πορώδες 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 επέκταση του όγκου και το το υλικό έχει μεγαλύτερη πυκνότητα συμπίεσης. Η άτακτη στοίβαξη των νανοφύλλων μπορεί επίσης να σχηματίσει μια πορώδη δομή. Για ένταξη στην ομάδα ανταλλαγής ηλεκτροδίων αρνητικού πυριτίου. Παρέχετε ένα χώρο αποθήκευσης για την επέκταση του όγκου των υλικών πυριτίου. Η εισαγωγή νανοσωλήνων άνθρακα (CNTs) μπορεί όχι μόνο να βελτιώσει την αγωγιμότητα του υλικού, αλλά και να προωθήσει το σχηματισμό πορωδών δομών του υλικού λόγω των μονοδιάστατων μορφολογικών χαρακτηριστικών του. Δεν υπάρχουν αναφορές για πορώδεις δομές που κατασκευάζονται από νανοφύλλα πυριτίου και CNT. Αυτό το έγγραφο υιοθετεί τις βιομηχανικά εφαρμόσιμες μεθόδους άλεσης, λείανσης και διασποράς, ξήρανσης με ψεκασμό, προεπικάλυψης άνθρακα και φρύξης και εισάγει πορώδεις προαγωγείς στη διαδικασία προετοιμασίας για την παρασκευή πορωδών υλικών αρνητικών ηλεκτροδίων με βάση το πυρίτιο που σχηματίζονται από αυτοσυναρμολόγηση νανοφύλλων πυριτίου και CNTs. Η διαδικασία προετοιμασίας είναι απλή, φιλική προς το περιβάλλον και δεν δημιουργούνται απόβλητα υγρά ή υπολείμματα αποβλήτων. Υπάρχουν πολλές βιβλιογραφικές αναφορές για την επικάλυψη άνθρακα υλικών με βάση το πυρίτιο, αλλά υπάρχουν λίγες σε βάθος συζητήσεις σχετικά με την επίδραση της επίστρωσης. Αυτό το έγγραφο χρησιμοποιεί άσφαλτο ως πηγή άνθρακα για τη διερεύνηση των επιπτώσεων δύο μεθόδων επίστρωσης άνθρακα, της επίστρωσης υγρής φάσης και της επίστρωσης στερεάς φάσης, στην επίδραση της επίστρωσης και στην 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 στάδια: άλεση με σφαιρίδια, λείανση και διασπορά, ξήρανση με ψεκασμό, προεπικάλυψη άνθρακα και ενανθράκωση. Πρώτα, ζυγίστε 500 g αρχικής σκόνης πυριτίου (οικιακή, καθαρότητας 99,99%), προσθέστε 2000 g ισοπροπανόλης και εκτελέστε υγρή άλεση με σφαίρα με ταχύτητα άλεσης με σφαιρίδια 2000 r/min για 24 ώρες για να ληφθεί ιλύς πυριτίου νανοκλίμακας. Ο πολτός πυριτίου που λαμβάνεται μεταφέρεται σε μια δεξαμενή μεταφοράς διασποράς και τα υλικά προστίθενται σύμφωνα με την αναλογία μάζας πυριτίου: γραφίτη (παράγεται στη Σαγκάη, κατηγορία μπαταρίας): νανοσωλήνες άνθρακα (παράγεται στο Tianjin, κατηγορία μπαταρίας): πολυβινυλοπυρρολιδόνη (παράγεται σε Tianjin, αναλυτικός βαθμός) = 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 λείανση και η διασπορά εκτελούνται με ταχύτητα διασποράς 3500 r/min για 4 ώρες. Μια άλλη ομάδα πολτών χωρίς προσθήκη CNT συγκρίνεται και τα άλλα υλικά είναι τα ίδια. Ο λαμβανόμενος διασπαρμένος πολτός στη συνέχεια μεταφέρεται σε μια δεξαμενή τροφοδοσίας ξήρανσης με ψεκασμό και η ξήρανση με ψεκασμό πραγματοποιείται σε ατμόσφαιρα προστατευμένη από άζωτο, με τις θερμοκρασίες εισόδου και εξόδου να είναι 180 και 90 °C, αντίστοιχα. Στη συνέχεια συγκρίθηκαν δύο τύποι επικάλυψης άνθρακα, επίστρωση στερεάς φάσης και επίστρωση υγρής φάσης. Η μέθοδος επίστρωσης στερεάς φάσης είναι: η σκόνη που ξηραίνεται με ψεκασμό αναμιγνύεται με 20% σκόνη ασφάλτου (κατασκευασμένη στην Κορέα, D50 είναι 5 μm), αναμιγνύεται σε μηχανικό αναμικτήρα για 10 λεπτά και η ταχύτητα ανάμειξης είναι 2000 r/min για να ληφθεί προεπικαλυμμένη σκόνη. Η μέθοδος επίστρωσης υγρής φάσης είναι: η σκόνη που ξηραίνεται με ψεκασμό προστίθεται σε διάλυμα ξυλολίου (κατασκευασμένο σε Tianjin, αναλυτικής ποιότητας) που περιέχει 20% άσφαλτο διαλυμένη στη σκόνη σε στερεό περιεχόμενο 55% και αναδεύεται ομοιόμορφα υπό κενό. Ψήνουμε σε φούρνο κενού στους 85℃ για 4 ώρες, βάζουμε σε μηχανικό μίξερ για ανάμειξη, η ταχύτητα ανάμειξης είναι 2000 r/min και ο χρόνος ανάμειξης είναι 10 λεπτά για να ληφθεί προεπικαλυμμένη σκόνη. Τέλος, η προ-επικαλυμμένη σκόνη φρύχθηκε σε περιστροφικό κλίβανο υπό ατμόσφαιρα αζώτου με ρυθμό θέρμανσης 5°C/min. Διατηρήθηκε αρχικά σε σταθερή θερμοκρασία 550°C για 2 ώρες, στη συνέχεια συνέχισε να θερμαίνεται στους 800°C και διατηρήθηκε σε σταθερή θερμοκρασία για 2 ώρες, και στη συνέχεια ψύχθηκε φυσικά κάτω από τους 100°C και εκκενώθηκε για να ληφθεί άνθρακας πυριτίου. σύνθετο υλικό.
1.2 Μέθοδοι χαρακτηρισμού
Η κατανομή μεγέθους σωματιδίων του υλικού αναλύθηκε χρησιμοποιώντας έναν ελεγκτή μεγέθους σωματιδίων (έκδοση Mastersizer 2000, κατασκευασμένο στο Ηνωμένο Βασίλειο). Οι σκόνες που ελήφθησαν σε κάθε στάδιο δοκιμάστηκαν με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (Regulus8220, κατασκευασμένο στην Ιαπωνία) για να εξεταστεί η μορφολογία και το μέγεθος των σκονών. Η δομή φάσης του υλικού αναλύθηκε χρησιμοποιώντας αναλυτή περίθλασης σκόνης ακτίνων Χ (D8 ADVANCE, κατασκευασμένο στη Γερμανία) και η στοιχειακή σύνθεση του υλικού αναλύθηκε χρησιμοποιώντας αναλυτή ενεργειακού φάσματος. Το ληφθέν σύνθετο υλικό πυριτίου-άνθρακα χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή ενός ημικυτίου κουμπιού του μοντέλου CR2032 και η αναλογία μάζας πυριτίου-άνθρακα: SP: CNT: CMC: SBR ήταν 92:2:2:1,5:2,5. Το αντίθετο ηλεκτρόδιο είναι μεταλλικό φύλλο λιθίου, ο ηλεκτρολύτης είναι ηλεκτρολύτης του εμπορίου (μοντέλο 1901, κατασκευασμένο 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 διακοπής εκφόρτισης είναι 0,05 C.
Προκειμένου να διερευνηθεί περαιτέρω η απόδοση των σύνθετων υλικών πυριτίου-άνθρακα, κατασκευάστηκε πλαστικοποιημένη μικρή μπαταρία μαλακής συσκευασίας 408595. Το θετικό ηλεκτρόδιο χρησιμοποιεί NCM811 (κατασκευασμένο στο Χουνάν, κατηγορίας μπαταρίας), και το αρνητικό ηλεκτρόδιο γραφίτη είναι ντοπαρισμένο με υλικό πυριτίου-άνθρακα 8%. Ο τύπος ιλύος θετικού ηλεκτροδίου είναι 96% NCM811, 1,2% φθοριούχο πολυβινυλιδένιο (PVDF), 2% αγώγιμος παράγοντας SP, 0,8% CNT και το NMP χρησιμοποιείται ως μέσο διασποράς. ο τύπος πολτού αρνητικού ηλεκτροδίου είναι 96% σύνθετο υλικό αρνητικού ηλεκτροδίου, 1,3% CMC, 1,5% SBR 1,2% CNT και το νερό χρησιμοποιείται ως μέσο διασποράς. Μετά από ανάδευση, επίστρωση, έλαση, κοπή, πλαστικοποίηση, συγκόλληση με γλωττίδα, συσκευασία, ψήσιμο, έγχυση υγρού, σχηματισμό και διαίρεση χωρητικότητας, παρασκευάστηκαν 408595 πλαστικοποιημένες μικρές μαλακές μπαταρίες με ονομαστική χωρητικότητα 3 Ah. Η απόδοση του ρυθμού των 0,2C, 0,5C, 1C, 2C και 3C και η απόδοση κύκλου φόρτισης 0,5C και εκφόρτισης 1C δοκιμάστηκαν. Το εύρος της τάσης φόρτισης και εκφόρτισης ήταν 2,8-4,2 V, σταθερό ρεύμα και σταθερή τάση φόρτισης και το ρεύμα διακοπής ήταν 0,5 C.
2 Αποτελέσματα και συζήτηση
Η αρχική σκόνη πυριτίου παρατηρήθηκε με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο 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 [Εικόνα 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 λεπιώδη δομή (ο σχηματισμός της δομής νιφάδων θα επαληθευτεί περαιτέρω από το SEM διατομής αργότερα). Επομένως, τα δεδομένα D90 που λαμβάνονται 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 λεπιών οφείλεται κυρίως στις διαφορετικές ενέργειες διάστασης των κρυσταλλικών επιπέδων κρυσταλλικού πυριτίου, μεταξύ των οποίων το {111} επίπεδο πυριτίου έχει χαμηλότερη ενέργεια διάστασης από τα επίπεδα κρυστάλλου {100} και {110}. Επομένως, αυτό το κρυστάλλινο επίπεδο αραιώνεται ευκολότερα με άλεση με σφαιρίδια και τελικά σχηματίζει μια λεπτή δομή. Η λεπιώδης δομή ευνοεί τη συσσώρευση χαλαρών δομών, διατηρεί χώρο για την επέκταση του όγκου του πυριτίου και βελτιώνει τη σταθερότητα του υλικού.
Ο πολτός που περιέχει νανο-πυρίτιο, 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 5 έως 20 μm [Εικόνα 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 [Εικόνα 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 από το SEM, δείχνοντας τα χαρακτηριστικά μιας χαλαρής πορώδους δομής συσσωρευμένης από νανοϋλικά [Εικόνα 2(γ)]. Η πορώδης δομή αποτελείται από νανοφύλλα πυριτίου και CNTs συνυφασμένα μεταξύ τους [Εικόνα 2(δ)] και η ειδική επιφάνεια δοκιμής (BET) είναι τόσο υψηλή όσο 53,3 m2/g. Επομένως, μετά τον ψεκασμό, τα νανοφύλλα πυριτίου και τα CNT αυτοσυναρμολογούνται για να σχηματίσουν μια πορώδη δομή.
Το πορώδες στρώμα υποβλήθηκε σε επεξεργασία με επίστρωση υγρού άνθρακα και μετά την προσθήκη του προδρόμου επικάλυψης άνθρακα και την ενανθράκωση, πραγματοποιήθηκε παρατήρηση SEM. Τα αποτελέσματα φαίνονται στο Σχήμα 3. Μετά την προ-επικάλυψη άνθρακα, η επιφάνεια των δευτερευόντων σωματιδίων γίνεται λεία, με εμφανές στρώμα επικάλυψης και η επικάλυψη είναι πλήρης, όπως φαίνεται στα Σχήματα 3(α) και (β). Μετά την ενανθράκωση, το στρώμα επικάλυψης επιφάνειας διατηρεί μια καλή κατάσταση επίστρωσης [Εικόνα 3(γ)]. Επιπλέον, η εικόνα SEM διατομής δείχνει νανοσωματίδια σε σχήμα λωρίδας [Εικόνα 3(δ)], τα οποία αντιστοιχούν στα μορφολογικά χαρακτηριστικά των νανοφύλλων, επαληθεύοντας περαιτέρω τον σχηματισμό νανοφύλλων πυριτίου μετά την άλεση με σφαιρίδια. Επιπλέον, το Σχήμα 3(δ) δείχνει ότι υπάρχουν πληρωτικά μεταξύ ορισμένων νανοφύλλων. Αυτό οφείλεται κυρίως στη χρήση της μεθόδου επίστρωσης υγρής φάσης. Το ασφαλτικό διάλυμα θα διεισδύσει στο υλικό, έτσι ώστε η επιφάνεια των εσωτερικών νανοφύλλων πυριτίου να αποκτήσει ένα προστατευτικό στρώμα επικάλυψης άνθρακα. Ως εκ τούτου, με τη χρήση επικάλυψης υγρής φάσης, εκτός από την απόκτηση του δευτερογενούς σωματιδιακού αποτελέσματος επικάλυψης, μπορεί επίσης να ληφθεί το αποτέλεσμα επικάλυψης διπλού άνθρακα της επικάλυψης πρωτογενών σωματιδίων. Η ανθρακούχα σκόνη δοκιμάστηκε με ΒΕΤ και το αποτέλεσμα της δοκιμής ήταν 22,3 m2/g.
Η ανθρακούχα σκόνη υποβλήθηκε σε ανάλυση φάσματος ενέργειας διατομής (EDS) και τα αποτελέσματα φαίνονται στο Σχήμα 4(α). Ο πυρήνας μεγέθους μικρού είναι 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 υποδεικνύει 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 μισών κυψελών τύπου κουμπιού και εκφόρτισης φορτίου. Η πρώτη καμπύλη φόρτισης-εκφόρτισης φαίνεται στο Σχήμα 5. Η αναστρέψιμη ειδική χωρητικότητα είναι 1000,8 mAh/g και η απόδοση του πρώτου κύκλου είναι τόσο υψηλή όσο 93,9%, η οποία είναι υψηλότερη από την πρώτη απόδοση των περισσότερων υλικών με βάση το πυρίτιο χωρίς προ- λιθίωση που αναφέρεται στη βιβλιογραφία. Η υψηλή πρώτη απόδοση δείχνει ότι το παρασκευασμένο σύνθετο υλικό πυριτίου-άνθρακα έχει υψηλή σταθερότητα. Προκειμένου να επαληθευτεί η επίδραση της πορώδους δομής, του αγώγιμου δικτύου και της επικάλυψης άνθρακα στη σταθερότητα των υλικών πυριτίου-άνθρακα, παρασκευάστηκαν δύο τύποι υλικών πυριτίου-άνθρακα χωρίς προσθήκη CNT και χωρίς επίστρωση πρωτογενούς άνθρακα.
Η μορφολογία της ανθρακοποιημένης σκόνης του σύνθετου υλικού πυριτίου-άνθρακα χωρίς προσθήκη CNT φαίνεται στο Σχήμα 6. Μετά την επικάλυψη υγρής φάσης και την ενανθράκωση, ένα στρώμα επικάλυψης μπορεί να φανεί καθαρά στην επιφάνεια των δευτερογενών σωματιδίων στο Σχήμα 6(α). Το SEM διατομής του ανθρακούχου 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 ανθρακούχου σκόνης είναι 22,3 m2/g], η εσωτερική πυκνότητα στοίβαξης νανοπυριτίου είναι υψηλότερη, γεγονός που δείχνει ότι η προσθήκη CNT μπορεί να προάγει ο σχηματισμός μιας πορώδους δομής. Επιπλέον, το υλικό δεν έχει 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 επίστρωσης στην επιφάνεια, όπως φαίνεται στο Σχήμα 7(α). Το Σχήμα 7(β) δείχνει ότι υπάρχουν νανοσωματίδια σε σχήμα λωρίδας στη διατομή, η οποία αντιστοιχεί στα μορφολογικά χαρακτηριστικά των νανοφύλλων. Η συσσώρευση των 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 επίστρωσης για τα νανοφύλλα πυριτίου. Αυτό το σύνθετο υλικό πυριτίου-άνθρακα καταγράφεται ως S3.
Η δοκιμή φόρτισης και εκφόρτισης μισού κυττάρου τύπου κουμπιού διεξήχθη σε 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 επίστρωση στερεάς φάσης ήταν οι χαμηλότερες, υποδεικνύοντας ότι εκτελέστηκε μόνο η επίστρωση άνθρακα της πορώδους δομής και η επίστρωση άνθρακα των εσωτερικών νανοφύλλων πυριτίου δεν έγινε, κάτι που δεν μπορούσε να δώσει πλήρη αναπαραγωγή στην ειδική χωρητικότητα του υλικού με βάση το πυρίτιο και δεν μπορούσε να προστατεύσει την επιφάνεια του υλικού με βάση το πυρίτιο. Η πρώτη απόδοση του δείγματος S2 χωρίς CNT ήταν επίσης χαμηλότερη από εκείνη του σύνθετου υλικού πυριτίου-άνθρακα που περιέχει CNT, υποδεικνύοντας ότι με βάση ένα καλό στρώμα επικάλυψης, το αγώγιμο δίκτυο και ένας υψηλότερος βαθμός πορώδους δομής ευνοούν τη βελτίωση της απόδοσης φόρτισης και εκφόρτισης του υλικού πυριτίου-άνθρακα.
Το υλικό πυριτίου-άνθρακα S1 χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή μιας μικρής μπαταρίας με μαλακό πακέτο για να εξετάσει την απόδοση του ρυθμού και την απόδοση του κύκλου. Η καμπύλη ρυθμού εκφόρτισης φαίνεται στο Σχήμα 8(α). Οι ικανότητες εκκένωσης 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 είναι τόσο υψηλός όσο 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 ηλεκτροδίων αρνητικού πυριτίου, προσθέστε το WeChat: shimobang. Όσον αφορά τον ρυθμό φόρτισης, οι δυνατότητες 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 μεγάλο. 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. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 9, μετά από 450 κύκλους, το ποσοστό διατήρησης χωρητικότητας είναι 78%, δείχνοντας καλή απόδοση κύκλου.
Η κατάσταση της επιφάνειας του ηλεκτροδίου πριν και μετά τον κύκλο διερευνήθηκε από το SEM και τα αποτελέσματα φαίνονται στο Σχήμα 10. Πριν από τον κύκλο, η επιφάνεια των υλικών γραφίτη και πυριτίου-άνθρακα είναι καθαρή [Εικόνα 10(α)]. μετά τον κύκλο, δημιουργείται προφανώς ένα στρώμα επίστρωσης στην επιφάνεια [Εικόνα 10(β)], το οποίο είναι ένα παχύ φιλμ SEI. Τραχύτητα φιλμ SEIΗ κατανάλωση ενεργού λιθίου είναι υψηλή, γεγονός που δεν ευνοεί την απόδοση του κύκλου. Επομένως, η προώθηση του σχηματισμού ομαλής μεμβράνης SEI (όπως κατασκευή τεχνητής φιλμ SEI, προσθήκη κατάλληλων πρόσθετων ηλεκτρολυτών κ.λπ.) μπορεί να βελτιώσει την απόδοση του κύκλου. Η παρατήρηση διατομής SEM των σωματιδίων πυριτίου-άνθρακα μετά τον κύκλο [Εικόνα 10(γ)] δείχνει ότι τα αρχικά νανοσωματίδια πυριτίου σε σχήμα λωρίδας έχουν γίνει πιο τραχιά και η πορώδης δομή έχει ουσιαστικά εξαλειφθεί. Αυτό οφείλεται κυρίως στη συνεχή διαστολή όγκου και συστολή του υλικού πυριτίου-άνθρακα κατά τη διάρκεια του κύκλου. Επομένως, η πορώδης δομή πρέπει να βελτιωθεί περαιτέρω για να παρέχει επαρκή χώρο αποθήκευσης για την επέκταση όγκου του υλικού με βάση το πυρίτιο.
3 Συμπέρασμα
Με βάση την επέκταση όγκου, την κακή αγωγιμότητα και την κακή σταθερότητα διεπαφής των υλικών αρνητικών ηλεκτροδίων με βάση το πυρίτιο, αυτή η εργασία κάνει στοχευμένες βελτιώσεις, από τη διαμόρφωση μορφολογίας των νανοφύλλων πυριτίου, την κατασκευή πορώδους δομής, την κατασκευή αγώγιμου δικτύου και την πλήρη επικάλυψη άνθρακα ολόκληρων δευτερευόντων 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 του CNT θα προωθήσει περαιτέρω τον σχηματισμό μιας πορώδης δομής. Το σύνθετο υλικό πυριτίου-άνθρακα που παρασκευάζεται με επίστρωση υγρής φάσης έχει διπλό αποτέλεσμα επικάλυψης άνθρακα από αυτό που παρασκευάζεται με επίστρωση 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 εκείνη χωρίς CNT, η οποία οφείλεται κυρίως στον υψηλότερο βαθμό ικανότητας της πορώδους δομής να ανακουφίζει τη διαστολή όγκου των υλικών με βάση το πυρίτιο. Η εισαγωγή του CNT θα κατασκευάσει ένα τρισδιάστατο αγώγιμο δίκτυο, θα βελτιώσει την αγωγιμότητα των υλικών με βάση το πυρίτιο και θα δείξει καλή απόδοση ρυθμού στον 1C. και το υλικό δείχνει καλή απόδοση κύκλου. Ωστόσο, η πορώδης δομή του υλικού πρέπει να ενισχυθεί περαιτέρω για να παρέχει επαρκή χώρο αποθήκευσης για την επέκταση του όγκου του πυριτίου και να προωθήσει το σχηματισμό ομαλήςκαι πυκνό φιλμ SEI για περαιτέρω βελτίωση της απόδοσης κύκλου του σύνθετου υλικού πυριτίου-άνθρακα.
Παρέχουμε επίσης προϊόντα γραφίτη και καρβιδίου του πυριτίου υψηλής καθαρότητας, τα οποία χρησιμοποιούνται ευρέως στην επεξεργασία πλακιδίων όπως οξείδωση, διάχυση και ανόπτηση.
Καλωσορίστε οποιουσδήποτε πελάτες από όλο τον κόσμο να μας επισκεφτούν για περαιτέρω συζήτηση!
https://www.vet-china.com/
Ώρα δημοσίευσης: Νοε-13-2024