آماده‌سازی و بهبود عملکرد مواد کامپوزیتی متخلخل سیلیکون کربن

باتری‌های لیتیوم-یون عمدتاً در جهت چگالی انرژی بالا در حال توسعه هستند. در دمای اتاق، مواد الکترود منفی مبتنی بر سیلیکون با لیتیوم آلیاژ می‌شوند تا فاز غنی از لیتیوم Li3.75Si با ظرفیت ویژه تا 3572 میلی‌آمپر ساعت بر گرم تولید کنند که بسیار بالاتر از ظرفیت ویژه نظری الکترود منفی گرافیتی 372 میلی‌آمپر ساعت بر گرم است. با این حال، در طول فرآیند شارژ و دشارژ مکرر مواد الکترود منفی مبتنی بر سیلیکون، تبدیل فاز Si و Li3.75Si می‌تواند انبساط حجمی عظیمی (حدود 300٪) ایجاد کند که منجر به پودر شدن ساختاری مواد الکترود و تشکیل مداوم فیلم SEI می‌شود و در نهایت باعث کاهش سریع ظرفیت می‌شود. این صنعت عمدتاً عملکرد مواد الکترود منفی مبتنی بر سیلیکون و پایداری باتری‌های مبتنی بر سیلیکون را از طریق نانوسایز کردن، پوشش کربنی، تشکیل منافذ و سایر فناوری‌ها بهبود می‌بخشد.

مواد کربنی رسانایی خوبی دارند، هزینه کمی دارند و منابع گسترده‌ای دارند. آن‌ها می‌توانند رسانایی و پایداری سطح مواد مبتنی بر سیلیکون را بهبود بخشند. آن‌ها ترجیحاً به عنوان افزودنی‌های بهبود عملکرد برای الکترودهای منفی مبتنی بر سیلیکون استفاده می‌شوند. مواد سیلیکون-کربن، مسیر اصلی توسعه الکترودهای منفی مبتنی بر سیلیکون هستند. پوشش کربنی می‌تواند پایداری سطح مواد مبتنی بر سیلیکون را بهبود بخشد، اما توانایی آن در مهار انبساط حجمی سیلیکون عمومی است و نمی‌تواند مشکل انبساط حجمی سیلیکون را حل کند. بنابراین، برای بهبود پایداری مواد مبتنی بر سیلیکون، باید ساختارهای متخلخل ساخته شوند. آسیاب گلوله‌ای یک روش صنعتی برای تهیه نانومواد است. افزودنی‌ها یا اجزای مختلف مواد را می‌توان طبق الزامات طراحی ماده کامپوزیتی، به دوغاب حاصل از آسیاب گلوله‌ای اضافه کرد. دوغاب به طور یکنواخت از طریق دوغاب‌های مختلف پراکنده شده و با اسپری خشک می‌شود. در طول فرآیند خشک شدن آنی، نانوذرات و سایر اجزای موجود در دوغاب به طور خود به خود ویژگی‌های ساختاری متخلخلی را تشکیل می‌دهند. این مقاله از فناوری آسیاب گلوله‌ای صنعتی و سازگار با محیط زیست و خشک کردن اسپری برای تهیه مواد مبتنی بر سیلیکون متخلخل استفاده می‌کند.

عملکرد مواد مبتنی بر سیلیکون همچنین می‌تواند با تنظیم مورفولوژی و ویژگی‌های توزیع نانومواد سیلیکونی بهبود یابد. در حال حاضر، مواد مبتنی بر سیلیکون با مورفولوژی‌ها و ویژگی‌های توزیع مختلف، مانند نانومیله‌های سیلیکونی، نانوسیلیکون متخلخل جاسازی‌شده در گرافیت، نانوسیلیکون توزیع‌شده در کره‌های کربنی، ساختارهای متخلخل آرایه سیلیکون/گرافن و غیره تهیه شده‌اند. در مقیاس مشابه، در مقایسه با نانوذرات، نانوصفحات می‌توانند مشکل خرد شدن ناشی از انبساط حجم را بهتر سرکوب کنند و این ماده چگالی فشردگی بالاتری دارد. انباشتگی نامنظم نانوصفحات نیز می‌تواند یک ساختار متخلخل تشکیل دهد. برای پیوستن به گروه تبادل الکترود منفی سیلیکون. یک فضای بافر برای انبساط حجمی مواد سیلیکونی فراهم کنید. معرفی نانولوله‌های کربنی (CNTs) نه تنها می‌تواند رسانایی ماده را بهبود بخشد، بلکه به دلیل ویژگی‌های مورفولوژیکی یک بعدی آن، تشکیل ساختارهای متخلخل ماده را نیز ارتقا می‌دهد. هیچ گزارشی در مورد ساختارهای متخلخل ساخته شده توسط نانوصفحات سیلیکونی و CNTs وجود ندارد. این مقاله روش‌های صنعتی کاربردی آسیاب گلوله‌ای، آسیاب و پراکندگی، خشک کردن پاششی، پیش پوشش کربنی و کلسیناسیون را اتخاذ می‌کند و تقویت‌کننده‌های متخلخل را در فرآیند آماده‌سازی برای تهیه مواد الکترود منفی متخلخل مبتنی بر سیلیکون که با خودآرایی نانوصفحات سیلیکونی و CNTها تشکیل شده‌اند، معرفی می‌کند. فرآیند آماده‌سازی ساده، سازگار با محیط زیست است و هیچ مایع یا پسماند زائدی تولید نمی‌شود. گزارش‌های زیادی در مورد پوشش کربنی مواد مبتنی بر سیلیکون وجود دارد، اما بحث‌های عمیق کمی در مورد تأثیر پوشش وجود دارد. این مقاله از آسفالت به عنوان منبع کربن برای بررسی تأثیرات دو روش پوشش کربنی، پوشش فاز مایع و پوشش فاز جامد، بر اثر پوشش و عملکرد مواد الکترود منفی مبتنی بر سیلیکون استفاده می‌کند.

۱ آزمایش

۱.۱ آماده‌سازی مواد

تهیه مواد کامپوزیت سیلیکون-کربن متخلخل عمدتاً شامل پنج مرحله است: آسیاب گلوله‌ای، آسیاب و پراکندگی، خشک کردن اسپری، پیش پوشش کربن و کربنیزاسیون. ابتدا، ۵۰۰ گرم پودر سیلیکون اولیه (داخلی، با خلوص ۹۹.۹۹٪) را وزن کنید، ۲۰۰۰ گرم ایزوپروپانول اضافه کنید و آسیاب گلوله‌ای مرطوب را با سرعت آسیاب گلوله‌ای ۲۰۰۰ دور در دقیقه به مدت ۲۴ ساعت انجام دهید تا دوغاب سیلیکون در مقیاس نانو به دست آید. دوغاب سیلیکون به دست آمده به مخزن انتقال پراکندگی منتقل می‌شود و مواد بر اساس نسبت جرمی سیلیکون اضافه می‌شوند: گرافیت (تولید شده در شانگهای، درجه باتری): نانولوله‌های کربنی (تولید شده در تیانجین، درجه باتری): پلی‌وینیل پیرولیدون (تولید شده در تیانجین، درجه تحلیلی) = ۴۰:۶۰:۱.۵:۲. از ایزوپروپانول برای تنظیم محتوای جامد استفاده می‌شود و محتوای جامد ۱۵٪ طراحی شده است. آسیاب کردن و پراکندگی با سرعت پراکندگی ۳۵۰۰ دور در دقیقه به مدت ۴ ساعت انجام می‌شود. گروه دیگری از دوغاب‌ها بدون افزودن CNTها مقایسه می‌شوند و سایر مواد مشابه هستند. سپس دوغاب پراکنده شده به دست آمده به مخزن تغذیه خشک‌کن پاششی منتقل می‌شود و خشک‌کن پاششی در اتمسفر محافظت شده با نیتروژن انجام می‌شود، با دمای ورودی و خروجی به ترتیب ۱۸۰ و ۹۰ درجه سانتیگراد. سپس دو نوع پوشش کربنی، پوشش فاز جامد و پوشش فاز مایع، مقایسه شدند. روش پوشش فاز جامد به این صورت است: پودر خشک شده پاششی با ۲۰٪ پودر آسفالت (ساخت کره، D50 برابر با ۵ میکرومتر است) مخلوط می‌شود، به مدت ۱۰ دقیقه در یک میکسر مکانیکی مخلوط می‌شود و سرعت اختلاط ۲۰۰۰ دور در دقیقه است تا پودر از پیش پوشش داده شده به دست آید. روش پوشش فاز مایع به این صورت است: پودر خشک شده پاششی به محلول زایلن (ساخت تیانجین، درجه تجزیه‌ای) حاوی ۲۰٪ آسفالت حل شده در پودر با محتوای جامد ۵۵٪ اضافه می‌شود و به طور یکنواخت در خلاء هم زده می‌شود. به مدت ۴ ساعت در آون خلاء با دمای ۸۵ درجه سانتیگراد پخته شد، سپس برای مخلوط کردن در یک میکسر مکانیکی قرار داده شد، سرعت مخلوط کردن ۲۰۰۰ دور در دقیقه و زمان مخلوط کردن ۱۰ دقیقه بود تا پودر از پیش پوشش داده شده به دست آید. در نهایت، پودر از پیش پوشش داده شده در یک کوره دوار تحت اتمسفر نیتروژن با سرعت گرمایش ۵ درجه سانتیگراد در دقیقه کلسینه شد. ابتدا به مدت ۲ ساعت در دمای ثابت ۵۵۰ درجه سانتیگراد نگهداری شد، سپس تا ۸۰۰ درجه سانتیگراد گرم شد و به مدت ۲ ساعت در دمای ثابت نگهداری شد و سپس به طور طبیعی تا زیر ۱۰۰ درجه سانتیگراد خنک و تخلیه شد تا یک ماده کامپوزیت سیلیکون-کربن به دست آید.

۱.۲ روش‌های توصیف

توزیع اندازه ذرات ماده با استفاده از دستگاه تست اندازه ذرات (مدل Mastersizer 2000، ساخت انگلستان) مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. پودرهای به‌دست‌آمده در هر مرحله با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی (Regulus8220، ساخت ژاپن) برای بررسی مورفولوژی و اندازه پودرها آزمایش شدند. ساختار فازی ماده با استفاده از دستگاه آنالیز پراش پودر اشعه ایکس (D8 ADVANCE، ساخت آلمان) تجزیه و تحلیل شد و ترکیب عنصری ماده با استفاده از دستگاه آنالیز طیف انرژی تجزیه و تحلیل شد. از ماده کامپوزیت سیلیکون-کربن به‌دست‌آمده برای ساخت نیم‌سلول دکمه‌ای مدل CR2032 استفاده شد و نسبت جرمی سیلیکون-کربن: SP: CNT: CMC: SBR برابر با 92:2:2:1.5:2.5 بود. الکترود شمارنده یک ورق لیتیوم فلزی است، الکترولیت یک الکترولیت تجاری (مدل ۱۹۰۱، ساخت کره) است، از دیافراگم Celgard 2320 استفاده شده است، محدوده ولتاژ شارژ و دشارژ ۰.۰۰۵-۱.۵ ولت، جریان شارژ و دشارژ ۰.۱ درجه سانتیگراد (۱C = ۱A) و جریان قطع دشارژ ۰.۰۵ درجه سانتیگراد است.

به منظور بررسی بیشتر عملکرد مواد کامپوزیت سیلیکون-کربن، باتری کوچک چندلایه بسته نرم افزاری 408595 ساخته شد. الکترود مثبت از NCM811 (ساخت هونان، درجه باتری) استفاده می‌کند و گرافیت الکترود منفی با 8٪ ماده سیلیکون-کربن آلاییده شده است. فرمول دوغاب الکترود مثبت شامل 96٪ NCM811، 1.2٪ پلی وینیلیدین فلوراید (PVDF)، 2٪ عامل رسانا SP، 0.8٪ CNT و NMP به عنوان پراکنده کننده است. فرمول دوغاب الکترود منفی شامل 96٪ مواد الکترود منفی کامپوزیتی، 1.3٪ CMC، 1.5٪ SBR 1.2٪ CNT و آب به عنوان پراکنده کننده است. پس از هم زدن، پوشش دادن، نورد کردن، برش، لایه بندی، جوشکاری زبانه ای، بسته بندی، پخت، تزریق مایع، تشکیل و تقسیم ظرفیت، باتری های کوچک چندلایه بسته نرم افزاری 408595 با ظرفیت نامی 3 آمپر ساعت تهیه شدند. عملکرد نرخ شارژ و دشارژ 0.2C، 0.5C، 1C، 2C و 3C و عملکرد چرخه شارژ و دشارژ 0.5C و 1C مورد آزمایش قرار گرفت. محدوده ولتاژ شارژ و دشارژ 2.8-4.2 ولت، جریان ثابت و ولتاژ ثابت شارژ و جریان قطع 0.5C بود.

۲ نتایج و بحث

پودر سیلیکون اولیه توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) مشاهده شد. پودر سیلیکون به طور نامنظم دانه‌ای با اندازه ذرات کمتر از 2 میکرومتر بود، همانطور که در شکل 1 (الف) نشان داده شده است. پس از آسیاب گلوله‌ای، اندازه پودر سیلیکون به طور قابل توجهی به حدود 100 نانومتر کاهش یافت [شکل 1 (ب)]. آزمایش اندازه ذرات نشان داد که D50 پودر سیلیکون پس از آسیاب گلوله‌ای 110 نانومتر و D90 آن 175 نانومتر بود. بررسی دقیق مورفولوژی پودر سیلیکون پس از آسیاب گلوله‌ای، ساختار پوسته پوسته را نشان می‌دهد (تشکیل ساختار پوسته پوسته بعداً از SEM مقطعی بیشتر تأیید خواهد شد). بنابراین، داده‌های D90 به دست آمده از آزمایش اندازه ذرات باید بُعد طول نانوصفحه باشد. با ترکیب نتایج SEM، می‌توان قضاوت کرد که اندازه نانوصفحه به دست آمده حداقل در یک بُعد، کوچکتر از مقدار بحرانی 150 نانومتر شکست پودر سیلیکون در حین شارژ و دشارژ است. تشکیل مورفولوژی پوسته پوسته عمدتاً به دلیل انرژی‌های تفکیک متفاوت صفحات کریستالی سیلیکون کریستالی است که در این میان، صفحه {111} سیلیکون انرژی تفکیک کمتری نسبت به صفحات کریستالی {100} و {110} دارد. بنابراین، این صفحه کریستالی با آسیاب گلوله‌ای راحت‌تر نازک می‌شود و در نهایت یک ساختار پوسته پوسته تشکیل می‌دهد. ساختار پوسته پوسته برای تجمع ساختارهای سست مساعد است، فضا را برای انبساط حجمی سیلیکون حفظ می‌کند و پایداری ماده را بهبود می‌بخشد.

دوغاب حاوی نانوسیلیکون، نانولوله کربنی و گرافیت اسپری شد و پودر قبل و بعد از اسپری توسط SEM بررسی شد. نتایج در شکل 2 نشان داده شده است. ماتریس گرافیتی اضافه شده قبل از اسپری، یک ساختار پوسته‌ای معمولی با اندازه 5 تا 20 میکرومتر است [شکل 2 (الف)]. آزمایش توزیع اندازه ذرات گرافیت نشان می‌دهد که D50 برابر با 15 میکرومتر است. پودر به‌دست‌آمده پس از اسپری دارای مورفولوژی کروی است [شکل 2 (ب)] و می‌توان مشاهده کرد که گرافیت پس از اسپری توسط لایه پوششی پوشش داده شده است. D50 پودر پس از اسپری 26.2 میکرومتر است. ویژگی‌های مورفولوژیکی ذرات ثانویه توسط SEM مشاهده شد که نشان‌دهنده ویژگی‌های یک ساختار متخلخل سست انباشته‌شده توسط نانومواد است [شکل 2 (ج)]. ساختار متخلخل از نانوصفحات سیلیکونی و CNT های در هم تنیده تشکیل شده است [شکل 2 (d)] و سطح ویژه آزمایش (BET) به 53.3 متر مربع بر گرم می‌رسد. بنابراین، پس از اسپری کردن، نانوصفحات سیلیکونی و CNT ها خود به خود جمع می‌شوند و یک ساختار متخلخل تشکیل می‌دهند.

لایه متخلخل با پوشش کربن مایع پوشش داده شد و پس از افزودن قیر پیش‌ساز پوشش کربنی و کربنیزاسیون، مشاهده SEM انجام شد. نتایج در شکل 3 نشان داده شده است. پس از پیش پوشش کربنی، سطح ذرات ثانویه صاف می‌شود و یک لایه پوشش آشکار ایجاد می‌شود و پوشش کامل می‌شود، همانطور که در شکل‌های 3(a) و (b) نشان داده شده است. پس از کربنیزاسیون، لایه پوشش سطحی حالت پوشش خوبی را حفظ می‌کند [شکل 3(c)]. علاوه بر این، تصویر SEM مقطعی، نانوذرات نواری شکل را نشان می‌دهد [شکل 3(d)] که با ویژگی‌های مورفولوژیکی نانوصفحات مطابقت دارند و تشکیل نانوصفحات سیلیکونی را پس از آسیاب گلوله‌ای بیشتر تأیید می‌کنند. علاوه بر این، شکل 3(d) نشان می‌دهد که بین برخی از نانوصفحات پرکننده وجود دارد. این امر عمدتاً به دلیل استفاده از روش پوشش فاز مایع است. محلول آسفالت به داخل ماده نفوذ می‌کند، به طوری که سطح نانوصفحات سیلیکونی داخلی یک لایه محافظ پوشش کربنی به دست می‌آورد. بنابراین، با استفاده از پوشش فاز مایع، علاوه بر به دست آوردن اثر پوشش ذرات ثانویه، می‌توان اثر پوشش کربن مضاعف پوشش ذرات اولیه را نیز به دست آورد. پودر کربنیزه شده توسط BET آزمایش شد و نتیجه آزمایش 22.3 متر مربع بر گرم بود.

پودر کربنیزه شده تحت آنالیز طیف انرژی مقطعی (EDS) قرار گرفت و نتایج در شکل 4(a) نشان داده شده است. هسته میکرونی، جزء C است که مربوط به ماتریس گرافیت است و پوشش بیرونی حاوی سیلیکون و اکسیژن است. برای بررسی بیشتر ساختار سیلیکون، آزمایش پراش اشعه ایکس (XRD) انجام شد و نتایج در شکل 4(b) نشان داده شده است. این ماده عمدتاً از گرافیت و سیلیکون تک بلور تشکیل شده است و هیچ ویژگی اکسید سیلیکون آشکاری ندارد، که نشان می‌دهد جزء اکسیژن آزمایش طیف انرژی عمدتاً از اکسیداسیون طبیعی سطح سیلیکون ناشی می‌شود. ماده کامپوزیت سیلیکون-کربن به صورت S1 ثبت شده است.

ماده سیلیکون-کربن S1 تهیه‌شده تحت آزمایش‌های تولید نیم‌سلول از نوع دکمه‌ای و شارژ-دشارژ قرار گرفت. منحنی شارژ-دشارژ اول در شکل 5 نشان داده شده است. ظرفیت ویژه برگشت‌پذیر 1000.8 میلی‌آمپر ساعت بر گرم است و بازده چرخه اول به 93.9٪ می‌رسد که بالاتر از بازده چرخه اول اکثر مواد مبتنی بر سیلیکون بدون پیش-لیتیوماسیون گزارش‌شده در مقالات است. بازده چرخه اول بالا نشان می‌دهد که ماده کامپوزیت سیلیکون-کربن تهیه‌شده پایداری بالایی دارد. به منظور بررسی اثرات ساختار متخلخل، شبکه رسانا و پوشش کربن بر پایداری مواد سیلیکون-کربن، دو نوع ماده سیلیکون-کربن بدون افزودن CNT و بدون پوشش کربن اولیه تهیه شدند.

مورفولوژی پودر کربنیزه شده ماده کامپوزیت سیلیکون-کربن بدون افزودن CNT در شکل 6 نشان داده شده است. پس از پوشش فاز مایع و کربنیزاسیون، یک لایه پوشش به وضوح روی سطح ذرات ثانویه در شکل 6(a) قابل مشاهده است. SEM مقطع عرضی ماده کربنیزه شده در شکل 6(b) نشان داده شده است. انباشتگی نانوصفحات سیلیکونی دارای ویژگی‌های متخلخل است و آزمایش BET آن 16.6 متر مربع بر گرم است. با این حال، در مقایسه با مورد CNT [همانطور که در شکل 3(d) نشان داده شده است، آزمایش BET پودر کربنیزه آن 22.3 متر مربع بر گرم است]، چگالی انباشتگی نانوسیلیکون داخلی بیشتر است، که نشان می‌دهد افزودن CNT می‌تواند تشکیل یک ساختار متخلخل را افزایش دهد. علاوه بر این، این ماده دارای یک شبکه رسانای سه‌بعدی ساخته شده توسط CNT نیست. ماده کامپوزیت سیلیکون-کربن به صورت S2 ثبت می‌شود.

ویژگی‌های ریخت‌شناسی ماده کامپوزیت سیلیکون-کربن تهیه‌شده با پوشش کربن فاز جامد در شکل 7 نشان داده شده است. پس از کربنیزاسیون، یک لایه پوشش آشکار روی سطح وجود دارد، همانطور که در شکل 7(a) نشان داده شده است. شکل 7(b) نشان می‌دهد که نانوذرات نواری شکل در مقطع عرضی وجود دارند که با ویژگی‌های ریخت‌شناسی نانوصفحات مطابقت دارد. تجمع نانوصفحات، یک ساختار متخلخل را تشکیل می‌دهد. هیچ پرکننده آشکاری روی سطح نانوصفحات داخلی وجود ندارد، که نشان می‌دهد پوشش کربن فاز جامد فقط یک لایه پوشش کربن با ساختار متخلخل تشکیل می‌دهد و هیچ لایه پوشش داخلی برای نانوصفحات سیلیکون وجود ندارد. این ماده کامپوزیت سیلیکون-کربن به عنوان S3 ثبت شده است.

آزمایش شارژ و دشارژ نیم‌سلول دکمه‌ای شکل روی S2 و S3 انجام شد. ظرفیت ویژه و راندمان اولیه S2 به ترتیب 1120.2 میلی‌آمپر ساعت بر گرم و 84.8 درصد و ظرفیت ویژه و راندمان اولیه S3 به ترتیب 882.5 میلی‌آمپر ساعت بر گرم و 82.9 درصد بود. ظرفیت ویژه و راندمان اولیه نمونه S3 با پوشش فاز جامد کمترین مقدار را داشت که نشان می‌دهد فقط پوشش کربنی ساختار متخلخل انجام شده و پوشش کربنی نانوصفحات سیلیکونی داخلی انجام نشده است که نمی‌تواند به طور کامل از ظرفیت ویژه ماده مبتنی بر سیلیکون استفاده کند و نمی‌تواند از سطح ماده مبتنی بر سیلیکون محافظت کند. راندمان اولیه نمونه S2 بدون CNT نیز کمتر از ماده کامپوزیت سیلیکون-کربن حاوی CNT بود که نشان می‌دهد بر اساس یک لایه پوشش خوب، شبکه رسانا و درجه بالاتری از ساختار متخلخل برای بهبود راندمان شارژ و دشارژ ماده سیلیکون-کربن مفید هستند.

از ماده سیلیکون-کربن S1 برای ساخت یک باتری کوچک با بسته نرم کامل استفاده شد تا عملکرد نرخ و عملکرد چرخه بررسی شود. منحنی نرخ تخلیه در شکل 8 (الف) نشان داده شده است. ظرفیت تخلیه 0.2C، 0.5C، 1C، 2C و 3C به ترتیب 2.970، 2.999، 2.920، 2.176 و 1.021 آمپر ساعت است. نرخ تخلیه 1C به 98.3٪ می‌رسد، اما نرخ تخلیه 2C به 73.3٪ و نرخ تخلیه 3C بیشتر به 34.4٪ کاهش می‌یابد. برای پیوستن به گروه تبادل الکترود منفی سیلیکون، لطفاً WeChat: shimobang را اضافه کنید. از نظر نرخ شارژ، ظرفیت شارژ 0.2C، 0.5C، 1C، 2C و 3C به ترتیب 3.186، 3.182، 3.081، 2.686 و 2.289 آمپر ساعت است. نرخ شارژ 1C برابر با 96.7٪ است و نرخ شارژ 2C همچنان به 84.3٪ می‌رسد. با این حال، با مشاهده منحنی شارژ در شکل 8 (ب)، پلتفرم شارژ 2C به طور قابل توجهی بزرگتر از پلتفرم شارژ 1C است و ظرفیت شارژ ولتاژ ثابت آن بیشترین مقدار (55٪) را تشکیل می‌دهد، که نشان می‌دهد قطبش باتری قابل شارژ 2C در حال حاضر بسیار زیاد است. ماده سیلیکون-کربن عملکرد شارژ و دشارژ خوبی در 1C دارد، اما برای دستیابی به عملکرد با نرخ بالاتر، ویژگی‌های ساختاری این ماده باید بیشتر بهبود یابد. همانطور که در شکل 9 نشان داده شده است، پس از 450 سیکل، نرخ حفظ ظرفیت 78٪ است که عملکرد سیکل خوبی را نشان می‌دهد.

وضعیت سطح الکترود قبل و بعد از چرخه توسط SEM بررسی شد و نتایج در شکل 10 نشان داده شده است. قبل از چرخه، سطح گرافیت و مواد سیلیکون-کربن شفاف است [شکل 10 (الف)]؛ پس از چرخه، یک لایه پوششی به وضوح روی سطح ایجاد می‌شود [شکل 10 (ب)] که یک فیلم SEI ضخیم است. زبری فیلم SEI مصرف لیتیوم فعال زیاد است که برای عملکرد چرخه مفید نیست. بنابراین، ترویج تشکیل یک فیلم SEI صاف (مانند ساخت فیلم SEI مصنوعی، افزودن افزودنی‌های الکترولیت مناسب و غیره) می‌تواند عملکرد چرخه را بهبود بخشد. مشاهده مقطعی SEM از ذرات سیلیکون-کربن پس از چرخه [شکل 10 (ج)] نشان می‌دهد که نانوذرات سیلیکون نواری شکل اولیه درشت‌تر شده‌اند و ساختار متخلخل اساساً حذف شده است. این امر عمدتاً به دلیل انبساط و انقباض حجمی مداوم ماده سیلیکون-کربن در طول چرخه است. بنابراین، ساختار متخلخل باید بیشتر تقویت شود تا فضای بافر کافی برای انبساط حجمی ماده مبتنی بر سیلیکون فراهم شود.

۳ نتیجه‌گیری

بر اساس انبساط حجمی، رسانایی ضعیف و پایداری ضعیف فصل مشترک مواد الکترود منفی مبتنی بر سیلیکون، این مقاله بهبودهای هدفمندی را از شکل‌دهی مورفولوژی نانوصفحات سیلیکونی، ساخت ساختار متخلخل، ساخت شبکه رسانا و پوشش کامل کربنی کل ذرات ثانویه، برای بهبود پایداری مواد الکترود منفی مبتنی بر سیلیکون به طور کلی، انجام می‌دهد. تجمع نانوصفحات سیلیکونی می‌تواند یک ساختار متخلخل تشکیل دهد. معرفی CNT تشکیل یک ساختار متخلخل را بیشتر ترویج می‌دهد. ماده کامپوزیت سیلیکون-کربن تهیه شده با پوشش فاز مایع، اثر پوشش کربنی مضاعف نسبت به ماده تهیه شده با پوشش فاز جامد دارد و ظرفیت ویژه و راندمان اولیه بالاتری را نشان می‌دهد. علاوه بر این، راندمان اولیه ماده کامپوزیت سیلیکون-کربن حاوی CNT بالاتر از ماده بدون CNT است که عمدتاً به دلیل درجه بالاتر توانایی ساختار متخلخل در کاهش انبساط حجمی مواد مبتنی بر سیلیکون است. معرفی CNT یک شبکه رسانای سه‌بعدی ایجاد می‌کند، رسانایی مواد مبتنی بر سیلیکون را بهبود می‌بخشد و عملکرد سرعت خوبی را در دمای 1 درجه سانتیگراد نشان می‌دهد. و این ماده عملکرد چرخه‌ای خوبی را نشان می‌دهد. با این حال، ساختار متخلخل این ماده باید بیشتر تقویت شود تا فضای بافر کافی برای انبساط حجمی سیلیکون فراهم شود و تشکیل یک سطح صاف را ارتقا دهد.و فیلم SEI متراکم برای بهبود بیشتر عملکرد چرخه‌ای ماده کامپوزیت سیلیکون-کربن.

ما همچنین محصولات گرافیتی و کاربید سیلیکون با خلوص بالا را عرضه می‌کنیم که به طور گسترده در پردازش ویفر مانند اکسیداسیون، انتشار و آنیل استفاده می‌شوند.

از هر مشتری از سراسر جهان استقبال می کنیم تا برای بحث بیشتر به ما مراجعه کنند!

https://www.vet-china.com/