Lithium-jón rafhlöður eru aðallega að þróast í átt að mikilli orkuþéttleika. Við stofuhita blandast neikvæð rafskautsefni úr kísil saman við litíum til að framleiða litíumríka Li3,75Si fasa, með sértæka afkastagetu allt að 3572 mAh/g, sem er mun hærri en fræðileg sértæk afkastageta neikvæðra grafít rafskauta sem er 372 mAh/g. Hins vegar, við endurtekna hleðslu og afhleðslu á neikvæðum rafskautsefnum úr kísil, getur fasabreyting Si og Li3,75Si valdið mikilli rúmmálsþenslu (um 300%), sem mun leiða til uppbyggingarduftmyndunar á rafskautsefnunum og stöðugrar myndunar á SEI filmu, og að lokum veldur afkastagetunni hraðri lækkun. Iðnaðurinn bætir aðallega afköst neikvæðra rafskautsefna úr kísil og stöðugleika rafgeyma með nanóstærðarbreytingum, kolefnishúðun, porumyndun og öðrum tækni.
Kolefnisefni hafa góða leiðni, lágt verð og fjölbreytt úrval. Þau geta bætt leiðni og yfirborðsstöðugleika kísilefna. Þau eru helst notuð sem aukefni til að bæta afköst fyrir neikvæðar rafskautar á kísil. Kísil-kolefnisefni eru meginþróunarstefna kísilefna. Kolefnishúðun getur bætt yfirborðsstöðugleika kísilefna, en geta þess til að hindra rúmmálsþenslu kísils er almenn og getur ekki leyst vandamálið með rúmmálsþenslu kísils. Þess vegna, til að bæta stöðugleika kísilefna, þarf að smíða porous mannvirki. Kúlufræsun er iðnvædd aðferð til að búa til nanóefni. Hægt er að bæta mismunandi aukefnum eða efnisþáttum við leðjuna sem fæst með kúlufræsingu í samræmi við hönnunarkröfur samsetta efnisins. Leðjan er jafnt dreift í gegnum ýmsar leðjur og úðaþurrkuð. Við tafarlausa þurrkun mynda nanóagnirnar og aðrir íhlutir í leðjunni sjálfkrafa porous byggingareiginleika. Þessi grein notar iðnvædda og umhverfisvæna kúlufræsingu og úðaþurrkunartækni til að búa til porous kísilefni.
Einnig er hægt að bæta afköst kísilefna með því að stjórna formgerð og dreifingareiginleikum kísilnanóefna. Eins og er hafa kísilefnaefni með ýmsum formgerðum og dreifingareiginleikum verið framleidd, svo sem kísilnanóstangir, nanósílikon með porous grafíti sem er innfellt í nanósílikon, nanósílikon dreift í kolefniskúlur, porous byggingar úr kísil/grafen fylkingum o.s.frv. Í sama mælikvarða, samanborið við nanóagnir, geta nanóblöð betur dregið úr mulningsvandamálum sem orsakast af rúmmálsþenslu og efnið hefur meiri þjöppunarþéttleika. Óregluleg stafla nanóblaða getur einnig myndað porous byggingar. Til að taka þátt í hópi neikvæðra rafskautaskipta kísilefna. Veita bufferrými fyrir rúmmálsþenslu kísilefna. Innleiðing kolefnisnanóröra (CNT) getur ekki aðeins bætt leiðni efnisins, heldur einnig stuðlað að myndun porous byggingar efnisins vegna eins víddar formgerðareiginleika þess. Engar skýrslur eru til um porous byggingar sem smíðaðar eru úr nanóblöðum og CNT. Þessi grein notar iðnaðarnotkunaraðferðir eins og kúlumölun, mala og dreifa, úðaþurrkun, kolefnisforhúðun og brennslu og kynnir porous hvata í undirbúningsferlinu til að búa til porous kísil-byggð neikvæð rafskautsefni sem mynduð eru með sjálfsamsetningu kísil nanóplata og CNT. Undirbúningsferlið er einfalt, umhverfisvænt og enginn úrgangsvökvi eða leifar myndast. Margar ritrýndar skýrslur eru til um kolefnishúðun kísil-byggðra efna, en fáar ítarlegar umræður eru um áhrif húðunar. Þessi grein notar asfalt sem kolefnisgjafa til að kanna áhrif tveggja kolefnishúðunaraðferða, fljótandi fasahúðunar og fastfasahúðunar, á húðunaráhrif og afköst kísil-byggðra neikvæðra rafskautsefna.
1 Tilraun
1.1 Efnisundirbúningur
Undirbúningur á porous kísill-kolefnis samsettum efnum felur aðallega í sér fimm skref: kúlufræsingu, mala og dreifa, úðaþurrkun, forhúðun kolefnis og kolefnismyndun. Fyrst eru 500 g af upphaflegu kísildufti (innlent, 99,99% hreinleiki) vigtuð, 2000 g af ísóprópanóli bætt við og blautkúlufræsingu framkvæmd við kúlufræsingarhraða 2000 snúninga á mínútu í 24 klst. til að fá nanó-kísilblöndu. Kísilblöndunni sem fæst er flutt í dreifingartank og efnunum er bætt við í samræmi við massahlutfall kísils: grafíts (framleitt í Shanghai, rafhlöðugæði): kolefnisnanóröra (framleitt í Tianjin, rafhlöðugæði): pólývínýlpýrrólídóns (framleitt í Tianjin, greiningargæði) = 40:60:1,5:2. Ísóprópanól er notað til að stilla fasta innihaldið og fasta innihaldið er hannað til að vera 15%. Fræsing og dreifing eru framkvæmd við dreifingarhraða 3500 snúninga á mínútu í 4 klst. Annar hópur af leðjum án þess að bæta við CNT-efnum er borinn saman, og hin efnin eru þau sömu. Dreifða leðjan sem fæst er síðan flutt í úðaþurrkunartank og úðaþurrkun fer fram í köfnunarefnisvernduðu andrúmslofti, þar sem inntaks- og úttakshitastig eru 180 og 90°C, talið í sömu röð. Síðan voru tvær gerðir af kolefnishúðun bornar saman, fastfasahúðun og vökvafasahúðun. Fastfasahúðunaraðferðin er: úðaþurrkaða duftið er blandað saman við 20% asfaltduft (framleitt í Kóreu, D50 er 5 μm), blandað í vélrænum hrærivél í 10 mínútur og blöndunarhraðinn er 2000 snúningar/mín. til að fá forhúðað duft. Vökvafasahúðunaraðferðin er: úðaþurrkaða duftið er bætt við xýlenlausn (framleidd í Tianjin, greiningargæði) sem inniheldur 20% asfalt uppleyst í duftinu með 55% fast efni, og hrært jafnt í lofttæmi. Bakið í lofttæmisofni við 85°C í 4 klst., setjið í vélrænan hrærivél til blöndunar, blöndunarhraðinn er 2000 snúningar/mín. og blöndunartíminn er 10 mínútur til að fá forhúðað duft. Að lokum var forhúðaða duftið brennt í snúningsofni undir köfnunarefnislofti við hitunarhraða 5°C/mín. Það var fyrst haldið við stöðugt hitastig 550°C í 2 klst., síðan haldið áfram að hita upp í 800°C og haldið við stöðugt hitastig í 2 klst. og síðan kælt náttúrulega niður fyrir 100°C og losað til að fá kísill-kolefnis samsett efni.
1.2 Aðferðir við greiningu persónueinkenna
Dreifing agnastærðar efnisins var greind með agnastærðarprófara (Mastersizer 2000 útgáfa, framleiddur í Bretlandi). Duftið sem fékkst í hverju skrefi var prófað með rafeindasmásjá (Regulus8220, framleiddur í Japan) til að kanna formgerð og stærð duftsins. Fasabygging efnisins var greind með röntgengeislunarduftsgreiningartæki (D8 ADVANCE, framleitt í Þýskalandi) og frumefnasamsetning efnisins var greind með orkurófsgreiningartæki. Kísill-kolefnis samsetta efnið sem fékkst var notað til að búa til hnapphálffrumu af gerðinni CR2032, og massahlutfallið kísill-kolefnis: SP: CNT: CMC: SBR var 92:2:2:1,5:2,5. Mótrafskautið er úr litíummálmi, rafvökvinn er hefðbundinn rafvökvi (gerð 1901, framleiddur í Kóreu), notað er Celgard 2320 himna, hleðslu- og útskriftarspennubilið er 0,005-1,5 V, hleðslu- og útskriftarstraumurinn er 0,1 C (1 C = 1 A) og útskriftarrofsstraumurinn er 0,05 C.
Til að rannsaka frekar virkni kísill-kolefnis samsettra efna var framleidd lítil lagskipt mjúkpakkning af rafhlöðum af gerðinni 408595. Jákvæða rafskautið notar NCM811 (framleitt í Hunan, rafhlöðugæði) og neikvæða rafskautið er grafítblönduð með 8% kísill-kolefnis efni. Jákvæða rafskautsblönduformúlan er 96% NCM811, 1,2% pólývínýlidenflúoríð (PVDF), 2% leiðandi efni SP, 0,8% CNT og NMP er notað sem dreifiefni; neikvæða rafskautsblönduformúlan er 96% samsett neikvætt rafskautsefni, 1,3% CMC, 1,5% SBR, 1,2% CNT og vatn er notað sem dreifiefni. Eftir hræringu, húðun, rúllun, skurð, lagskiptingu, flipasuðu, pökkun, bökun, vökvainnspýtingu, myndun og afkastagetuskiptingu voru 408595 lagskiptar litlar mjúkpakkningar af rafhlöðum með afkastagetu upp á 3 Ah framleiddar. Hraðaafköst 0,2C, 0,5C, 1C, 2C og 3C og hringrásarafköst 0,5C hleðslu og 1C útskriftar voru prófuð. Hleðslu- og útskriftarspennubilið var 2,8-4,2 V, stöðugur straumur og stöðug spenna í hleðslu og lokunarstraumurinn var 0,5C.
2 Niðurstöður og umræða
Upphaflega kísilduftið var skoðað með rafeindasmásjá (SEM). Kísilduftið var óreglulega kornótt með agnastærð minni en 2 μm, eins og sést á mynd 1(a). Eftir kúlukvörn hafði stærð kísilduftsins minnkað verulega, niður í um 100 nm [Mynd 1(b)]. Agnastærðarprófið sýndi að D50 kísilduftsins eftir kúlukvörn var 110 nm og D90 var 175 nm. Nákvæm skoðun á formgerð kísildufts eftir kúlukvörn sýnir flögulaga uppbyggingu (myndun flögulaga uppbyggingarinnar verður frekar staðfest með þversniðs-SEM síðar). Þess vegna ættu D90 gögnin sem fengust úr agnastærðarprófinu að vera lengdarvídd nanóþynnunnar. Í samsetningu við SEM niðurstöðurnar má álykta að stærð nanóþynnunnar sem fæst sé minni en gagnrýnið gildi 150 nm fyrir brot kísildufts við hleðslu og afhleðslu í að minnsta kosti einni vídd. Myndun flögulaga formgerðarinnar stafar aðallega af mismunandi sundrunarorku kristalplana kristallaðs kísils, þar sem {111} plan kísils hefur lægri sundrunarorku en kristalplan {100} og {110}. Þess vegna er þetta kristalplan auðveldara að þynna með kúlufræsingu og myndar að lokum flögulaga uppbyggingu. Flögulaga uppbyggingin stuðlar að uppsöfnun lausra bygginga, geymir pláss fyrir rúmmálsþenslu kísils og bætir stöðugleika efnisins.
Leðjan sem innihélt nanó-sílikon, CNT og grafít var úðuð og duftið fyrir og eftir úðun var skoðað með rafeindasmásjá (SEM). Niðurstöðurnar eru sýndar á mynd 2. Grafítgrunnurinn sem bætt var við fyrir úðun er dæmigerður flögulaga uppbygging með stærðina 5 til 20 μm [Mynd 2(a)]. Dreifingarpróf á agnastærð grafíts sýnir að D50 er 15μm. Duftið sem fæst eftir úðun hefur kúlulaga formgerð [Mynd 2(b)] og það má sjá að grafítið er húðað af húðunarlaginu eftir úðun. D50 duftsins eftir úðun er 26,2 μm. Formfræðilegir eiginleikar aukaagnanna voru skoðaðir með rafeindasmásjá, sem sýna einkenni lausrar porous uppbyggingar sem safnast hefur upp af nanóefnum [Mynd 2(c)]. Porous uppbyggingin er samsett úr kísil nanóblöðum og CNT sem eru fléttuð saman [Mynd 2(d)] og sértækt yfirborðsflatarmál prófunarinnar (BET) er allt að 53,3 m2/g. Þess vegna, eftir úðun, setja kísilnanóblöð og CNT sig saman og mynda porous uppbyggingu.
Götótta lagið var meðhöndlað með fljótandi kolefnishúðun og eftir að kolefnishúðunarforveri var bætt við og kolefnismyndun var gerð rafeindasmásjárathugun. Niðurstöðurnar eru sýndar á mynd 3. Eftir forhúðun kolefnis verður yfirborð aukaagnanna slétt, með augljósu húðlagi og húðunin er fullgerð, eins og sést á myndum 3(a) og (b). Eftir kolefnismyndun viðheldur yfirborðshúðunin góðu húðunarástandi [mynd 3(c)]. Að auki sýnir þversniðs-rafsmásjármyndin ræmulaga nanóagnir [mynd 3(d)], sem samsvara formfræðilegum eiginleikum nanóþynna, sem staðfestir enn frekar myndun kísillnanóþynna eftir kúlufræsingu. Að auki sýnir mynd 3(d) að það eru fylliefni á milli sumra nanóþynnanna. Þetta er aðallega vegna notkunar á fljótandi húðunaraðferð. Asfaltlausnin mun smjúga inn í efnið, þannig að yfirborð innri kísillnanóþynnanna fær verndandi kolefnishúðunarlag. Þess vegna, með því að nota fljótandi húðun, auk þess að fá húðunaráhrif aukaagna, er einnig hægt að fá tvöfalda kolefnishúðunaráhrif frumagnahúðunar. Kolsýrða duftið var prófað með BET og niðurstaðan var 22,3 m2/g.
Kolsýrða duftið var rannsakað með þversniðsorkuspektrumgreiningu (EDS) og niðurstöðurnar eru sýndar á mynd 4(a). Kjarninn, sem er míkronstærð, er C-þáttur, sem samsvarar grafítgrunnefninu, og ytra lagið inniheldur kísill og súrefni. Til að rannsaka frekar uppbyggingu kísils var röntgengeislunarpróf (XRD) framkvæmt og niðurstöðurnar eru sýndar á mynd 4(b). Efnið er aðallega samsett úr grafíti og einkristalla kísill, án augljósra kísilloxíðeiginleika, sem bendir til þess að súrefnisþátturinn í orkuspektrumprófinu komi aðallega frá náttúrulegri oxun kísillyfirborðsins. Kísill-kolefnis samsetta efnið er skráð sem S1.
Kísill-kolefnisefnið S1 var prófað með hnapplaga hálffrumuframleiðslu og hleðslu-afhleðsluprófunum. Fyrsta hleðslu-afhleðsluferillinn er sýndur á mynd 5. Afturkræfa sértæka afkastagetan er 1000,8 mAh/g og skilvirkni fyrstu lotunnar er allt að 93,9%, sem er hærri en fyrsta skilvirkni flestra kísillefna án forlitíunar sem greint er frá í fræðiritum. Há fyrsta skilvirkni gefur til kynna að kísill-kolefnis samsetta efnið hefur mikinn stöðugleika. Til að staðfesta áhrif porous uppbyggingar, leiðandi nets og kolefnishúðunar á stöðugleika kísill-kolefnisefna voru tvær gerðir af kísill-kolefnisefnum framleiddar án þess að bæta við CNT og án aðal kolefnishúðunar.
Lögun kolefnisríka duftsins úr kísil-kolefnis samsettu efni án þess að bæta við CNT er sýnd á mynd 6. Eftir vökvafasahúðun og kolefnismyndun sést greinilega húðunarlag á yfirborði aukaagnanna á mynd 6(a). Þversniðs-SEM kolefnisríka efnisins er sýnt á mynd 6(b). Staflan á kísil-nanóblöðum hefur gegndræpa eiginleika og BET prófið er 16,6 m2/g. Hins vegar, samanborið við tilvikið með CNT [eins og sýnt er á mynd 3(d), BET prófið á kolefnisríka duftinu er 22,3 m2/g], er innri staflaþéttleiki nanó-kísil hærri, sem bendir til þess að viðbót CNT geti stuðlað að myndun gegndræprar uppbyggingar. Að auki hefur efnið ekki þrívítt leiðandi net sem CNT smíðar. Kísil-kolefnis samsetta efnið er skráð sem S2.
Formfræðilegir eiginleikar kísill-kolefnis samsetts efnis sem búið er til með kolefnishúðun í föstu formi eru sýndir á mynd 7. Eftir kolefnismyndun er augljóst húðunarlag á yfirborðinu, eins og sýnt er á mynd 7(a). Mynd 7(b) sýnir að það eru ræmulaga nanóagnir í þversniðinu, sem samsvarar formfræðilegum eiginleikum nanóþráða. Uppsöfnun nanóþráða myndar porous uppbyggingu. Það er ekkert augljóst fylliefni á yfirborði innri nanóþráðanna, sem bendir til þess að kolefnishúðunin í föstu formi myndar aðeins kolefnishúðunarlag með porous uppbyggingu, og það er ekkert innra húðunarlag fyrir kísillnanóþræðina. Þetta kísill-kolefnis samsetta efni er skráð sem S3.
Hleðslu- og útskriftarpróf á hnapplaga hálffrumum var framkvæmt á S2 og S3. Sértæk afkastageta og fyrsta skilvirkni S2 voru 1120,2 mAh/g og 84,8%, talið í sömu röð, og sértæk afkastageta og fyrsta skilvirkni S3 voru 882,5 mAh/g og 82,9%, talið í sömu röð. Sértæk afkastageta og fyrsta skilvirkni fastfasahúðaðs S3 sýnis voru lægst, sem bendir til þess að aðeins kolefnishúðun á porous uppbyggingu var framkvæmd, og kolefnishúðun á innri kísill nanóblöðum var ekki framkvæmd, sem gat ekki nýtt sértæka afkastagetu kísill efnisins til fulls og gat ekki verndað yfirborð kísill efnisins. Fyrsta skilvirkni S2 sýnisins án CNT var einnig lægri en kísill-kolefnis samsetts efnis sem innihélt CNT, sem bendir til þess að á grundvelli góðs húðunarlags eru leiðandi net og meiri porous uppbygging stuðla að því að bæta hleðslu- og útskriftarskilvirkni kísill-kolefnis efnisins.
S1 kísill-kolefnis efnið var notað til að búa til litla mjúka rafhlöðu til að kanna hleðsluhraða og hleðsluhringrásarafköst. Úthleðsluhraðakúrfan er sýnd á mynd 8(a). Úthleðslugeta 0,2C, 0,5C, 1C, 2C og 3C er 2,970, 2,999, 2,920, 2,176 og 1,021 Ah, talið í sömu röð. Úthleðsluhraðinn fyrir 1C er allt að 98,3%, en úthleðsluhraðinn fyrir 2C lækkar í 73,3% og úthleðsluhraðinn fyrir 3C lækkar enn frekar í 34,4%. Til að ganga til liðs við hópinn fyrir neikvæðar kísill rafskautsskipti, vinsamlegast bætið við WeChat: shimobang. Hvað varðar hleðsluhraða eru hleðslugetur 0,2C, 0,5C, 1C, 2C og 3C 3,186, 3,182, 3,081, 2,686 og 2,289 Ah, talið í sömu röð. Hleðsluhraðinn fyrir 1C er 96,7% og hleðsluhraðinn fyrir 2C nær samt 84,3%. Hins vegar, ef litið er á hleðsluferilinn á mynd 8(b), er 2C hleðslupallurinn töluvert stærri en 1C hleðslupallurinn og stöðug spennuhleðslugeta hans er þar að mestu leyti (55%), sem bendir til þess að skautun 2C endurhlaðanlegrar rafhlöðu sé þegar mjög mikil. Kísil-kolefnisefnið hefur góða hleðslu- og afhleðslugetu við 1C, en byggingareiginleikar efnisins þarf að bæta enn frekar til að ná hærri afköstum. Eins og sést á mynd 9, eftir 450 lotur, er afkastagetuhaldið 78%, sem sýnir góða afköst í lotum.
Yfirborðsástand rafskautsins fyrir og eftir hringrásina var rannsakað með rafeindasmásjá (SEM) og niðurstöðurnar eru sýndar á mynd 10. Fyrir hringrásina er yfirborð grafítsins og kísill-kolefnis efnanna tært [mynd 10(a)]; eftir hringrásina myndast greinilega húðunarlag á yfirborðinu [mynd 10(b)], sem er þykk SEI filma. Ójöfnur í SEI filmunni Virka litíumnotkunin er mikil, sem er ekki stuðlað að afköstum hringrásarinnar. Þess vegna getur það að stuðla að myndun sléttrar SEI filmu (eins og með því að smíða gervi SEI filmu, bæta við viðeigandi raflausnaukefnum o.s.frv.) bætt afköst hringrásarinnar. Þversniðs-SEM athugun á kísill-kolefni ögnunum eftir hringrásina [mynd 10(c)] sýnir að upprunalegu ræmulaga kísillnanóagnirnar hafa orðið grófari og porous uppbyggingin hefur í raun horfið. Þetta er aðallega vegna stöðugrar rúmmálsþenslu og samdráttar kísill-kolefnis efnisins meðan á hringrásinni stendur. Þess vegna þarf að efla porous uppbygginguna enn frekar til að veita nægilegt bufferrými fyrir rúmmálsþenslu kísill-efnanna.
3 Niðurstaða
Byggt á rúmmálsþenslu, lélegri leiðni og lélegri tengifletisstöðugleika kísill-byggðra neikvæðra rafskautsefna, gerir þessi grein markvissar úrbætur, allt frá formgerð kísillnanóþynna, smíði porous uppbyggingar, smíði leiðandi nets og heildar kolefnishúðun allra aukaagna, til að bæta stöðugleika kísill-byggðra neikvæðra rafskautsefna í heild. Uppsöfnun kísillnanóþynna getur myndað porous uppbyggingu. Innleiðing CNT mun enn frekar stuðla að myndun porous uppbyggingar. Kísill-kolefnis samsett efni sem er búið til með fljótandi fasahúðun hefur tvöfalda kolefnishúðunaráhrif en það sem búið er til með föstu fasahúðun og sýnir hærri sértæka afkastagetu og fyrstu skilvirkni. Að auki er fyrstu skilvirkni kísill-kolefnis samsetts efnis sem inniheldur CNT hærri en án CNT, sem er aðallega vegna meiri getu porous uppbyggingarinnar til að draga úr rúmmálsþenslu kísill-byggðra efna. Innleiðing CNT mun byggja upp þrívítt leiðandi net, bæta leiðni kísill-byggðra efna og sýna góða hraðaafköst við 1C; og efnið sýnir góða hringrásarafköst. Hins vegar þarf að styrkja porous uppbyggingu efnisins enn frekar til að veita nægilegt stuðpúðarými fyrir rúmmálsþenslu kísils og stuðla að myndun sléttrar lags.og þétt SEI filmu til að bæta enn frekar hringrásarafköst kísill-kolefnis samsetts efnisins.
Við bjóðum einnig upp á hágæða grafít og kísilkarbíð vörur, sem eru mikið notaðar í skífuvinnslu eins og oxun, dreifingu og glæðingu.
Velkomin öllum viðskiptavinum frá öllum heimshornum til að heimsækja okkur til frekari umræðu!
https://www.vet-china.com/
Birtingartími: 13. nóvember 2024