Liitiumioonakud arenevad peamiselt suure energiatiheduse suunas. Toatemperatuuril sulatatakse ränipõhised negatiivse elektroodi materjalid liitiumiga liitiumirikka toote Li3.75Si faasi tootmiseks, mille erivõimsus on kuni 3572 mAh/g, mis on palju suurem kui grafiitnegatiivse elektroodi 372 teoreetiline erivõimsus. mAh/g. Ränipõhiste negatiivsete elektroodide materjalide korduva laadimise ja tühjenemise käigus võib Si ja Li3.75Si faasimuutus tekitada aga tohutu mahu suurenemise (umbes 300%), mis toob kaasa elektroodimaterjalide struktuurse pulbristamise ja pideva elektroodide moodustumise. SEI kile ja lõpuks põhjustada võimsuse kiiret langust. Tööstus parandab peamiselt ränipõhiste negatiivsete elektroodide materjalide jõudlust ja ränipõhiste akude stabiilsust nanosuuruse, süsiniku katmise, pooride moodustamise ja muude tehnoloogiate abil.
Süsinikmaterjalidel on hea juhtivus, madal hind ja laialdased allikad. Need võivad parandada ränipõhiste materjalide juhtivust ja pinna stabiilsust. Neid kasutatakse eelistatavalt ränipõhiste negatiivsete elektroodide jõudlust parandavate lisanditena. Räni-süsinikmaterjalid on ränipõhiste negatiivsete elektroodide peamine arendussuund. Süsinikkate võib parandada ränipõhiste materjalide pinna stabiilsust, kuid selle võime pärssida räni mahu laienemist on üldine ega suuda lahendada räni mahu suurenemise probleemi. Seetõttu tuleb ränipõhiste materjalide stabiilsuse parandamiseks konstrueerida poorsed struktuurid. Kuuljahvatamine on nanomaterjalide valmistamise tööstuslik meetod. Kuuljahvatamise teel saadud lobrile saab lisada erinevaid lisandeid või materjalikomponente vastavalt komposiitmaterjali konstruktsiooninõuetele. Läga jaotatakse ühtlaselt läbi erinevate suspensioonide ja pihustuskuivatatakse. Hetkelise kuivatusprotsessi käigus moodustavad läga nanoosakesed ja muud komponendid spontaanselt poorseid struktuurseid omadusi. Selles paberis kasutatakse poorsete ränipõhiste materjalide valmistamiseks tööstuslikku ja keskkonnasõbralikku kuuljahvatamise ja pihustuskuivatustehnoloogiat.
Ränipõhiste materjalide jõudlust saab parandada ka räni nanomaterjalide morfoloogia ja jaotusomaduste reguleerimisega. Praeguseks on valmistatud erineva morfoloogia ja jaotusomadustega ränipõhiseid materjale, nagu räni nanovardad, poorse grafiidiga varjatud nanoräni, süsiniksfäärides jaotatud nanoräni, räni/grafeeni massiivi poorsed struktuurid jne. Samas skaalas, võrreldes nanoosakestega , nanolehed suudavad paremini maha suruda mahu suurenemisest tingitud muljumisprobleemi ja materjalil on suurem tihendus tihedus. Nanolehtede korrastamata virnastamine võib samuti moodustada poorse struktuuri. Ränist negatiivse elektroodi vahetusrühmaga liitumiseks. Jätke puhverruum ränimaterjalide mahu suurendamiseks. Süsinik-nanotorude (CNT) kasutuselevõtt ei saa mitte ainult parandada materjali juhtivust, vaid soodustada ka materjali poorsete struktuuride teket selle ühemõõtmeliste morfoloogiliste omaduste tõttu. Puuduvad teated räni nanolehtede ja CNT-de abil ehitatud poorsete struktuuride kohta. Selles dokumendis võetakse kasutusele tööstuslikult kasutatavad kuuljahvatamise, jahvatamise ja dispergeerimise, pihustuskuivatamise, süsiniku eelkatmise ja kaltsineerimise meetodid ning tutvustatakse ettevalmistusprotsessis poorseid promootoreid, et valmistada poorseid ränipõhiseid negatiivse elektroodi materjale, mis on moodustatud räni nanolehtede ja CNT-d. Valmistamisprotsess on lihtne, keskkonnasõbralik ning ei teki jäätmevedelikku ega jäätmejääke. Ränipõhiste materjalide süsiniku katmise kohta on kirjanduses palju teateid, kuid katte mõju kohta on vähe põhjalikumaid arutelusid. Selles artiklis kasutatakse süsinikuallikana asfalti, et uurida kahe süsiniku katmise meetodi, vedelfaasilise katmise ja tahkefaasilise katmise mõju katteefektile ja ränipõhiste negatiivsete elektroodide materjalide toimivusele.
1 Katse
1.1 Materjali ettevalmistamine
Poorsete räni-süsinik komposiitmaterjalide valmistamine hõlmab peamiselt viit etappi: kuuljahvatamine, jahvatamine ja dispergeerimine, pihustuskuivatus, süsiniku eelkatmine ja karboniseerimine. Esmalt kaaluge 500 g algset ränipulbrit (kodumaine, 99,99% puhtusega), lisage 2000 g isopropanooli ja tehke 24 tunni jooksul kuuljahvatamine kiirusel 2000 p/min, et saada nanomõõtmeline ränipulber. Saadud ränipulber kantakse dispersiooni ülekandepaaki ja materjalid lisatakse vastavalt räni massisuhtele: grafiit (toodetud Shanghais, akuklass): süsinik-nanotorud (toodetud Tianjinis, akuklass): polüvinüülpürrolidoon (toodetud Tianjinis, analüütiline hinne) = 40:60:1,5:2. Tahke aine sisalduse reguleerimiseks kasutatakse isopropanooli ja tahkete ainete sisaldus on kavandatud olema 15%. Lihvimine ja dispergeerimine viiakse läbi dispersioonikiirusel 3500 p/min 4 tunni jooksul. Võrreldakse teist rühma lägasid ilma CNT-de lisamiseta ja muud materjalid on samad. Saadud dispergeeritud suspensioon viiakse seejärel pihustuskuivatusse etteandepaaki ja pihustuskuivatus viiakse läbi lämmastikuga kaitstud atmosfääris, mille sisse- ja väljalasketemperatuurid on vastavalt 180 ja 90 °C. Seejärel võrreldi kahte tüüpi süsinikkatet, tahke faasi katet ja vedelfaasi katet. Tahkefaasiline katmismeetod on järgmine: pihustuskuivatatud pulber segatakse 20% asfaldipulbriga (valmistatud Koreas, D50 on 5 μm), segatakse mehaanilises segistis 10 minutit ja segamiskiirus on 2000 p/min. eelnevalt kaetud pulber. Vedelfaasiline katmismeetod on järgmine: pihustuskuivatatud pulber lisatakse ksüleenilahusele (valmistatud Tianjinis, analüütiline puhastus), mis sisaldab 20% pulbris lahustunud asfalti tahke sisaldusega 55%, ja segatakse vaakumis ühtlaselt. Küpsetada vaakumpahjus 85℃ juures 4h, panna segamiseks mehaanilisse mikserisse, segamiskiirus on 2000 p/min ja segamisaeg 10 min, et saada eelnevalt kaetud pulber. Lõpuks kaltsineeriti eelnevalt kaetud pulber pöördahjus lämmastiku atmosfääris kuumutuskiirusel 5 °C/min. Esmalt hoiti seda konstantsel temperatuuril 550 °C 2 tundi, seejärel jätkati kuumutamist temperatuurini 800 °C ja hoiti konstantsel temperatuuril 2 tundi, seejärel jahutati loomulikult alla 100 °C ja tühjendati ränisüsiniku saamiseks. komposiitmaterjal.
1.2 Iseloomustusmeetodid
Materjali osakeste suuruse jaotust analüüsiti osakeste suuruse testeri abil (Mastersizer 2000 versioon, valmistatud Ühendkuningriigis). Igas etapis saadud pulbreid testiti skaneeriva elektronmikroskoopia abil (Regulus8220, valmistatud Jaapanis), et uurida pulbrite morfoloogiat ja suurust. Materjali faasistruktuuri analüüsimiseks kasutati pulberröntgendifraktsioonianalüsaatorit (D8 ADVANCE, toodetud Saksamaal), materjali elementide koostist analüüsiti energiaspekter analüsaatoriga. Saadud räni-süsinik komposiitmaterjalist valmistati mudeli CR2032 nupupoolelement ning räni-süsinik: SP: CNT: CMC: SBR massisuhe oli 92:2:2:1,5:2,5. Vastuelektroodiks on metallist liitiumleht, elektrolüüdiks kaubanduslik elektrolüüt (mudel 1901, toodetud Koreas), kasutatud on Celgard 2320 membraani, laadimis- ja tühjenduspinge vahemik on 0,005-1,5 V, laadimis- ja tühjendusvool 0,1 C (1C = 1A) ja tühjenemise katkestusvool on 0,05 C.
Räni-süsinik komposiitmaterjalide toimivuse edasiseks uurimiseks valmistati lamineeritud väike pehmepakendiline aku 408595. Positiivne elektrood kasutab NCM811 (valmistatud Hunanis, akuklass) ja negatiivse elektroodi grafiit on legeeritud 8% räni-süsinikmaterjaliga. Positiivse elektroodi lobri valem on 96% NCM811, 1,2% polüvinülideenfluoriidi (PVDF), 2% juhtivat ainet SP, 0,8% CNT ja dispergeeriva ainena kasutatakse NMP-d; negatiivse elektroodi lobri valem on 96% negatiivse elektroodi komposiitmaterjalist, 1,3% CMC-st, 1,5% SBR-st 1,2% CNT-st ja dispergeeriva ainena kasutatakse vett. Pärast segamist, katmist, rullimist, lõikamist, lamineerimist, lipikeevitamist, pakkimist, küpsetamist, vedeliku sissepritse, moodustamist ja mahu jagamist valmistati 408595 lamineeritud väikest pehmepakkakut nimivõimsusega 3 Ah. Testiti 0,2C, 0,5C, 1C, 2C ja 3C kiirust ning 0,5C laadimise ja 1C tühjenemise tsüklit. Laadimis- ja tühjenduspinge vahemik oli 2,8-4,2 V, pideva voolu ja pideva pinge laadimine ning väljalülitusvool 0,5C.
2 Tulemused ja arutelu
Esialgset ränipulbrit vaadeldi skaneeriva elektronmikroskoopia (SEM) abil. Ränipulber oli ebakorrapäraselt granuleeritud osakeste suurusega alla 2 μm, nagu on näidatud joonisel 1 (a). Pärast kuuljahvatamist vähendati ränipulbri suurust oluliselt kuni umbes 100 nm-ni [joonis 1 (b)]. Osakeste suuruse test näitas, et ränipulbri D50 oli pärast kuuljahvatamist 110 nm ja D90 oli 175 nm. Ränipulbri morfoloogia hoolikas uurimine pärast kuuljahvatamist näitab helbestruktuuri (helbelise struktuuri teket kontrollitakse hiljem ristlõike SEM-i põhjal). Seetõttu peaksid osakeste suuruse testist saadud D90 andmed olema nanolehe pikkuse mõõdud. SEM-i tulemustega kombineeritult võib järeldada, et saadud nanolehe suurus on vähemalt ühes mõõtmes väiksem kui ränipulbri purunemise kriitiline väärtus 150 nm laadimise ja tühjenemise ajal. Helbelise morfoloogia moodustumine on peamiselt tingitud kristallilise räni kristalltasandite erinevast dissotsiatsioonienergiast, mille hulgas on räni {111} tasandi dissotsiatsioonienergia väiksem kui {100} ja {110} kristallitasanditel. Seetõttu on see kristalltasapind kuuljahvatamise teel kergemini vedeldatav ja lõpuks moodustub helbeline struktuur. Kilvestruktuur soodustab lahtiste struktuuride kogunemist, jätab ruumi räni mahu laienemiseks ja parandab materjali stabiilsust.
Nanoräni, CNT-d ja grafiiti sisaldav suspensioon pihustati ning pulbrit enne ja pärast pihustamist uuriti SEM-iga. Tulemused on näidatud joonisel 2. Enne pihustamist lisatud grafiitmaatriks on tüüpiline helvestruktuur, mille suurus on 5–20 μm [joonis 2(a)]. Grafiidi osakeste suuruse jaotuse test näitab, et D50 on 15 μm. Pärast pihustamist saadud pulber on sfäärilise morfoloogiaga [joonis 2(b)] ja on näha, et grafiit katab peale pihustamist kattekihi. Pulbri D50 pärast pihustamist on 26,2 μm. Sekundaarsete osakeste morfoloogilisi omadusi vaadeldi SEM-iga, mis näitab nanomaterjalide poolt kogunenud lahtise poorse struktuuri omadusi [joonis 2 (c)]. Poorne struktuur koosneb räni nanolehtedest ja üksteisega põimunud CNT-dest [joonis 2(d)] ning testi eripind (BET) on koguni 53,3 m2/g. Seetõttu koonduvad räni nanolehed ja CNT-d pärast pihustamist ise kokku, moodustades poorse struktuuri.
Poorset kihti töödeldi vedela süsiniku kattega ning pärast süsinikkatte prekursori pigi ja karboniseerimise lisamist viidi läbi SEM-vaatlus. Tulemused on näidatud joonisel 3. Pärast süsiniku eelkatmist muutub sekundaarsete osakeste pind siledaks, nähtava kattekihiga ja katmine on täielik, nagu on näidatud joonistel 3(a) ja (b). Pärast karboniseerimist säilitab pinnakattekiht hea katteoleku [joonis 3(c)]. Lisaks on ristlõike SEM-pildil näha ribakujulisi nanoosakesi [joonis 3(d)], mis vastavad nanolehtede morfoloogilistele omadustele, kontrollides veelgi räni nanolehtede moodustumist pärast kuuljahvatamist. Lisaks näitab joonis 3(d), et mõnede nanolehtede vahel on täiteaineid. See on peamiselt tingitud vedelfaasi katmismeetodi kasutamisest. Asfaldilahus tungib materjali sisse, nii et sisemiste räni nanokihtide pind saab süsinikkattega kaitsekihi. Seetõttu saab vedelfaasilise katmise abil lisaks sekundaarse osakeste katte efekti saavutamisele saavutada ka primaarsete osakeste katte kahekordse süsiniku katteefekti. Karboniseeritud pulbrit testiti BET-ga ja testi tulemus oli 22,3 m2/g.
Karboniseeritud pulbrile viidi läbi ristlõike energiaspektri analüüs (EDS) ja tulemused on näidatud joonisel 4(a). Mikronisuurune südamik on C-komponent, mis vastab grafiitmaatriksile ning väliskate sisaldab räni ja hapnikku. Räni struktuuri edasiseks uurimiseks viidi läbi röntgendifraktsiooni (XRD) test ja tulemused on näidatud joonisel 4(b). Materjal koosneb peamiselt grafiidist ja ühekristalllisest ränist, millel puuduvad ilmsed ränioksiidi omadused, mis näitab, et energiaspektri testi hapnikukomponent pärineb peamiselt räni pinna looduslikust oksüdatsioonist. Räni-süsinik komposiitmaterjal registreeritakse kui S1.
Valmistatud räni-süsinik materjaliga S1 viidi läbi nööptüüpi poolelemendi tootmise ja laadimise-tühjenemise testid. Esimene laadimis-tühjenemise kõver on näidatud joonisel 5. Pööratav erivõimsus on 1000,8 mAh/g ja esimese tsükli efektiivsus on koguni 93,9%, mis on kõrgem kui enamiku ränipõhiste materjalide esimene efektiivsus ilma eel kirjanduses kirjeldatud litiatsioon. Kõrge esimene efektiivsus näitab, et valmistatud räni-süsinik komposiitmaterjalil on kõrge stabiilsus. Selleks, et kontrollida poorse struktuuri, juhtiva võrgu ja süsiniku katte mõju räni-süsinik materjalide stabiilsusele, valmistati kahte tüüpi räni-süsinik materjale ilma CNT lisamata ja ilma esmase süsinikkatteta.
Räni-süsinik komposiitmaterjali karboniseeritud pulbri morfoloogia ilma CNT lisamiseta on näidatud joonisel 6. Pärast vedelfaasis katmist ja karboniseerimist on joonisel 6(a) kujutatud sekundaarsete osakeste pinnal selgelt näha kattekiht. Karboniseeritud materjali ristlõige SEM on näidatud joonisel 6(b). Räni nanolehtede virnastamine on poorsete omadustega ja BET-test on 16,6 m2/g. Võrreldes CNT-ga [nagu on näidatud joonisel 3(d), on selle karboniseeritud pulbri BET-test 22,3 m2/g], on sisemine räni nanotihedus suurem, mis näitab, et CNT lisamine võib soodustada. poorse struktuuri moodustumine. Lisaks puudub materjalil CNT poolt konstrueeritud kolmemõõtmeline juhtiv võrk. Räni-süsinik komposiitmaterjal registreeritakse kui S2.
Tahkefaasilise süsiniku katmisega valmistatud räni-süsinik komposiitmaterjali morfoloogilised omadused on näidatud joonisel 7. Pärast karboniseerimist on pinnal ilmne kattekiht, nagu on näidatud joonisel 7(a). Joonis 7 (b) näitab, et ristlõikes on ribakujulised nanoosakesed, mis vastab nanolehtede morfoloogilistele omadustele. Nanolehtede kogunemine moodustab poorse struktuuri. Sisemiste nanolehtede pinnal pole ilmset täiteainet, mis näitab, et tahkefaasiline süsinikkate moodustab ainult poorse struktuuriga süsinikkattekihi ja räni nanolehtede jaoks puudub sisemine kattekiht. See räni-süsinik komposiitmaterjal on registreeritud kui S3.
Nuputüüpi poolelemendi laadimis- ja tühjenduskatse viidi läbi mudelitel S2 ja S3. S2 erivõimsus ja esimene efektiivsus olid vastavalt 1120,2 mAh/g ja 84,8% ning S3 erivõimsus ja esimene efektiivsus vastavalt 882,5 mAh/g ja 82,9%. Tahkefaasilise kaetud S3 proovi erivõimsus ja esimene efektiivsus olid madalaimad, mis näitab, et teostati ainult poorse struktuuri süsiniku katmine ja sisemiste räni nanolehtede süsinikkatet ei tehtud, mis ei suutnud anda täielikku mängu. ränipõhise materjali erivõimsusele ega suutnud kaitsta ränipõhise materjali pinda. S2 proovi esimene kasutegur ilma CNT-ta oli samuti madalam kui CNT-d sisaldaval räni-süsinik komposiitmaterjalil, mis näitab, et hea kattekihi alusel soodustavad elektrit juhtiv võrgustik ja suurem poorne struktuur paranemist. räni-süsinikmaterjali laadimise ja tühjenemise tõhusust.
Räni-süsinikmaterjalist S1 kasutati väikese pehme pakendiga täisaku valmistamiseks, et uurida kiiruse ja tsükli jõudlust. Tühjenduskiiruse kõver on näidatud joonisel 8(a). Tühjendusvõimsused 0,2C, 0,5C, 1C, 2C ja 3C on vastavalt 2,970, 2,999, 2,920, 2,176 ja 1,021 Ah. 1C tühjenemise määr on koguni 98,3%, kuid 2C tühjenemise määr langeb 73,3% ja 3C tühjenemise määr veelgi 34,4%. Räninegatiivse elektroodide vahetusrühmaga liitumiseks lisage WeChat: shimobang. Laadimiskiiruse osas on 0,2C, 0,5C, 1C, 2C ja 3C laadimisvõimsused vastavalt 3,186, 3,182, 3,081, 2,686 ja 2,289 Ah. 1C laadimiskiirus on 96,7% ja 2C laadimiskiirus ulatub endiselt 84,3% -ni. Kuid jälgides joonisel 8(b) kujutatud laadimiskõverat, on 2C laadimisplatvorm oluliselt suurem kui 1C laadimisplatvorm ja selle konstantse pinge laadimisvõimsus moodustab suurema osa (55%), mis näitab, et 2C laetava aku polarisatsioon on juba väga suur. Ränisüsinikmaterjalil on 1C juures hea laadimis- ja tühjendusjõudlus, kuid suurema jõudluse saavutamiseks tuleb materjali struktuuriomadusi veelgi parandada. Nagu on näidatud joonisel 9, on pärast 450 tsüklit võimsuse säilimise määr 78%, mis näitab head tsükli jõudlust.
Elektroodi pinnaseisundit enne ja pärast tsüklit uuriti SEM-iga ning tulemused on näidatud joonisel 10. Enne tsüklit on grafiidi ja räni-süsinik materjalide pind selge [joonis 10(a)]; pärast tsüklit tekib pinnale ilmselgelt kattekiht [joonis 10(b)], mis on paks SEI-kile. SEI-kile karedusAktiivne liitiumikulu on suur, mis ei soodusta tsükli jõudlust. Seetõttu võib sujuva SEI-kile moodustumise soodustamine (nt kunstlik SEI-kile konstruktsioon, sobivate elektrolüüdilisandite lisamine jne) parandada tsükli jõudlust. Räni-süsiniku osakeste ristlõike SEM-vaatlus pärast tsüklit [joonis 10(c)] näitab, et algsed ribakujulised räni nanoosakesed on muutunud jämedamaks ja poorne struktuur on põhimõtteliselt elimineeritud. See on peamiselt tingitud räni-süsinikmaterjali mahu pidevast laienemisest ja kokkutõmbumisest tsükli jooksul. Seetõttu tuleb poorset struktuuri veelgi täiustada, et tagada piisav puhverruum ränipõhise materjali mahu suurendamiseks.
3 Järeldus
Lähtudes ränipõhiste negatiivsete elektroodide materjalide mahu suurenemisest, halvast juhtivusest ja liidese halvast stabiilsusest, teeb see artikkel sihipäraseid täiustusi, alates räni nanolehtede morfoloogilisest kujundamisest, poorse struktuuri konstruktsioonist, juhtiva võrgu konstruktsioonist ja kogu sekundaarsete osakeste täielikust süsinikuga katmisest. , et parandada ränipõhiste negatiivsete elektroodide materjalide stabiilsust tervikuna. Räni nanolehtede kogunemine võib moodustada poorse struktuuri. CNT kasutuselevõtt soodustab veelgi poorse struktuuri teket. Vedelfaasilise katmisega valmistatud räni-süsinik komposiitmaterjalil on kahekordne süsiniku katteefekt kui tahkefaasilise katmisega ning sellel on suurem erivõimsus ja esmane tõhusus. Lisaks on CNT-d sisaldava räni-süsinik komposiitmaterjali esimene efektiivsus kõrgem kui ilma CNT-ta, mis on peamiselt tingitud poorse struktuuri suuremast võimest leevendada ränipõhiste materjalide mahu laienemist. CNT kasutuselevõtt loob kolmemõõtmelise juhtiva võrgu, parandab ränipõhiste materjalide juhtivust ja näitab head kiirust 1C juures; ja materjal näitab head tsükli jõudlust. Materjali poorset struktuuri tuleb aga veelgi tugevdada, et tagada piisav puhverruum räni mahu suurendamiseks ja soodustada sileda pinna moodustumist.ja tihe SEI kile, et veelgi parandada räni-süsinik komposiitmaterjali tsükli jõudlust.
Pakume ka kõrge puhtusastmega grafiidist ja ränikarbiidist tooteid, mida kasutatakse laialdaselt vahvlite töötlemisel, nagu oksüdatsioon, difusioon ja lõõmutamine.
Tere tulemast kõik kliendid üle kogu maailma külastama meid edasiseks aruteluks!
https://www.vet-china.com/
Postitusaeg: 13.11.2024