Baterei lithium-ion utamane berkembang ing arah kapadhetan energi sing dhuwur. Ing suhu kamar, basis silikon bahan elektroda negatif alloy karo lithium kanggo gawé produk sugih lithium Li3.75Si phase, karo kapasitas tartamtu saka nganti 3572 mAh / g, kang akeh sing luwih dhuwur tinimbang kapasitas tartamtu teori grafit elektroda negatif 372 mAh/g. Nanging, sajrone proses ngisi daya lan discharging bola-bali bahan elektroda negatif adhedhasar silikon, transformasi fase Si lan Li3.75Si bisa ngasilake ekspansi volume ageng (udakara 300%), sing bakal nyebabake bubuk struktural bahan elektroda lan pembentukan terus-terusan. film SEI, lan pungkasanipun nimbulaké kapasitas kanggo nyelehake kanthi cepet. Industri utamane ningkatake kinerja bahan elektroda negatif adhedhasar silikon lan stabilitas baterei adhedhasar silikon liwat ukuran nano, lapisan karbon, pembentukan pori lan teknologi liyane.
Bahan karbon nduweni konduktivitas sing apik, biaya murah, lan sumber sing amba. Bisa nambah konduktivitas lan stabilitas permukaan bahan basis silikon. Lagi preferentially digunakake minangka aditif dandan kinerja kanggo basis silikon elektroda negatif. Bahan silikon-karbon minangka arah pangembangan utama elektroda negatif adhedhasar silikon. Lapisan karbon bisa nambah stabilitas permukaan bahan basis silikon, nanging kemampuan kanggo nyandhet ekspansi volume silikon umum lan ora bisa ngatasi masalah ekspansi volume silikon. Mulane, kanggo nambah stabilitas bahan basis silikon, struktur keropos kudu dibangun. Penggilingan bola minangka cara industri kanggo nyiapake nanomaterial. Aditif utawa komponen materi sing beda-beda bisa ditambahake menyang slurry sing diduweni dening penggilingan bola miturut syarat desain materi komposit. Slurry kasebut disebarake kanthi merata liwat macem-macem slurries lan disemprotake. Sajrone proses pangatusan cepet, nanopartikel lan komponen liyane ing slurry bakal spontan mbentuk ciri struktur keropos. Makalah iki nggunakake teknologi penggilingan bola lan pengering semprotan industri lan ramah lingkungan kanggo nyiapake bahan basis silikon keropos.
Kinerja bahan basis silikon uga bisa ditingkatake kanthi ngatur morfologi lan karakteristik distribusi nanomaterial silikon. Saiki, bahan basis silikon kanthi macem-macem morfologi lan karakteristik distribusi wis disiapake, kayata silikon nanorods, keropos grafit ditempelake nanosilicon, nanosilicon disebarake ing karbon spheres, silikon / graphene array struktur keropos, etc. Ing skala sing padha, dibandhingake karo nanopartikel. , nanosheets bisa luwih nyuda masalah crushing disebabake expansion volume, lan materi wis Kapadhetan compaction luwih. Numpuk nanosheets sing ora teratur uga bisa mbentuk struktur keropos. Kanggo nggabungake klompok pertukaran elektroda negatif silikon. Nyedhiyani papan buffer kanggo ekspansi volume bahan silikon. Introduksi karbon nanotube (CNTs) ora mung bisa nambah konduktivitas materi, nanging uga ningkataké tatanan struktur keropos materi amarga karakteristik morfologi siji-dimensi. Ora ana laporan babagan struktur keropos sing digawe dening nanosheet silikon lan CNT. kertas iki adopts industri ditrapake werni panggilingan, mecah lan sawur, semprotan pangatusan, karbon wis nutupi lan cara calcination, lan pirso promotor keropos ing proses preparation kanggo nyiapake bahan elektroda negatif basis silikon keropos kawangun dening poto-pangumpulan nanosheets silikon lan CNTs. Proses nyiapake prasaja, ramah lingkungan, lan ora ana limbah cair utawa ampas sampah. Ana akeh laporan literatur babagan lapisan karbon saka bahan basis silikon, nanging ana sawetara diskusi sing jero babagan efek lapisan. Makalah iki nggunakake aspal minangka sumber karbon kanggo neliti efek saka rong cara lapisan karbon, lapisan fase cair lan lapisan fase padhet, ing efek lapisan lan kinerja bahan elektroda negatif adhedhasar silikon.
1 Eksperimen
1.1 Persiapan materi
Preparation bahan komposit silikon-karbon keropos utamané kalebu limang langkah: panggilingan werni, mecah lan sawur, pangatusan semprotan, karbon wis nutupi lan carbonization. Pisanan, nimbang 500 g bubuk silikon awal (domestik, kemurnian 99,99%), nambah 2000 g isopropanol, lan nindakake panggilingan bola udan kanthi kecepatan panggilingan bola 2000 r/min suwene 24 jam kanggo entuk slurry silikon skala nano. Slurry silikon sing dipikolehi ditransfer menyang tangki transfer dispersi, lan bahan ditambahake miturut rasio massa silikon: grafit (diprodhuksi ing Shanghai, kelas baterei): nanotube karbon (diprodhuksi ing Tianjin, kelas baterei): polyvinyl pyrrolidone (diprodhuksi). ing Tianjin, kelas analitis) = 40:60:1.5:2. Isopropanol digunakake kanggo nyetel isi padhet, lan isi padhet dirancang dadi 15%. Grinding lan dispersi ditindakake kanthi kecepatan dispersi 3500 r / min sajrone 4 jam. Klompok liyane slurries tanpa nambah CNTs dibandhingake, lan bahan liyane padha. Slurry sing dispersed sing dipikolehi banjur ditransfer menyang tangki pakan pengering semprotan, lan pangatusan semprotan ditindakake ing atmosfer sing dilindhungi nitrogen, kanthi suhu inlet lan outlet masing-masing 180 lan 90 °C. Banjur ana rong jinis lapisan karbon dibandhingake, lapisan fase padat lan lapisan fase cair. Cara lapisan fase padhet yaiku: bubuk semprotan garing dicampur karo wêdakakêna aspal 20% (digawe ing Korea, D50 yaiku 5 μm), dicampur ing mixer mekanik suwene 10 menit, lan kecepatan pencampuran yaiku 2000 r / min kanggo entuk. bubuk sing wis dilapisi. Cara lapisan fase Cairan yaiku: bubuk semprotan garing ditambahake menyang larutan xylene (digawe ing Tianjin, kelas analitik) sing ngemot 20% aspal sing dibubarake ing bubuk kanthi isi padhet 55%, lan vakum diaduk kanthi rata. Panggang ing open vakum ing 85 ℃ kanggo 4h, sijine menyang mixer mechanical kanggo nyawiji, kacepetan nyawiji punika 2000 r / min, lan wektu nyawiji 10 min kanggo njupuk wêdakakêna wis ditutupi. Pungkasan, bubuk sing wis dilapisi dikalsinasi ing kiln rotary ing atmosfer nitrogen kanthi kecepatan pemanasan 5 ° C / min. Kaping pisanan disimpen ing suhu konstan 550 ° C suwene 2 jam, banjur terus dadi panas nganti 800 ° C lan disimpen ing suhu konstan nganti 2 jam, banjur didinginake kanthi alami nganti ngisor 100 ° C lan dibuwang kanggo entuk silikon-karbon. bahan komposit.
1.2 Metode karakterisasi
Distribusi ukuran partikel saka materi dianalisis nggunakake panguji ukuran partikel (versi Masterizer 2000, digawe ing Inggris). Serbuk sing dipikolehi ing saben langkah diuji kanthi scan mikroskop elektron (Regulus8220, digawe ing Jepang) kanggo mriksa morfologi lan ukuran bubuk. Struktur fase materi dianalisis nggunakake penganalisa difraksi bubuk sinar-X (D8 ADVANCE, digawe ing Jerman), lan komposisi unsur materi kasebut dianalisis nggunakake penganalisis spektrum energi. Bahan komposit silikon-karbon sing dipikolehi digunakake kanggo nggawe tombol setengah sel model CR2032, lan rasio massa silikon-karbon: SP: CNT: CMC: SBR yaiku 92:2:2:1.5:2.5. Elektroda counter minangka lembaran lithium logam, elektrolit minangka elektrolit komersial (model 1901, digawe ing Korea), diafragma Celgard 2320 digunakake, rentang voltase pangisi daya lan discharge yaiku 0,005-1,5 V, arus pangisi daya lan discharge yaiku 0,1 C (1C = 1A), lan discharge cut-off saiki 0,05 C.
Kanggo luwih neliti kinerja bahan komposit silikon-karbon, digawe baterei paket alus cilik laminated 408595. Elektroda positif nggunakake NCM811 (digawe ing Hunan, kelas baterei), lan grafit elektroda negatif wis doped karo 8% bahan silikon-karbon. Rumus slurry elektroda positif yaiku 96% NCM811, 1,2% polyvinylidene fluoride (PVDF), 2% agen konduktif SP, 0,8% CNT, lan NMP digunakake minangka dispersant; rumus slurry elektroda negatif punika 96% materi elektroda negatif komposit, 1,3% CMC, 1,5% SBR 1,2% CNT, lan banyu digunakake minangka dispersant a. Sawise aduk, nutupi, rolling, nglereni, laminasi, welding tab, packaging, baking, injeksi Cairan, tatanan lan divisi kapasitas, 408595 laminated baterei Pack alus cilik karo kapasitas dirating 3 Ah padha disiapake. Kinerja tingkat 0.2C, 0.5C, 1C, 2C lan 3C lan kinerja siklus 0.5C lan discharge 1C diuji. Range voltase pangisian daya lan discharge yaiku 2.8-4.2 V, arus konstan lan ngisi voltase konstan, lan arus sing dipotong yaiku 0.5C.
2 Asil lan Diskusi
Bubuk silikon awal diamati kanthi scanning electron microscopy (SEM). Wêdakakêna silikon ana granular ora teratur kanthi ukuran partikel kurang saka 2μm, kaya sing dituduhake ing Gambar 1 (a). Sawise penggilingan bola, ukuran bubuk silikon dikurangi kanthi signifikan nganti kira-kira 100 nm [Gambar 1(b)]. Uji ukuran partikel nuduhake yen D50 bubuk silikon sawise ball milling yaiku 110 nm lan D90 yaiku 175 nm. Pemeriksaa kanthi ati-ati babagan morfologi bubuk silikon sawise penggilingan bola nuduhake struktur flaky (pembentukan struktur flaky bakal luwih diverifikasi saka SEM cross-sectional mengko). Mulane, data D90 sing dipikolehi saka tes ukuran partikel kudu ukuran dawa saka lembaran nano. Digabungake karo asil SEM, bisa ditemtokake manawa ukuran nanosheet sing dipikolehi luwih cilik tinimbang nilai kritis 150 nm saka pecah bubuk silikon sajrone ngisi daya lan ngeculake paling sethithik sak dimensi. Pembentukan morfologi flaky utamane amarga energi disosiasi sing beda saka bidang kristal silikon kristal, ing antarane bidang {111} silikon nduweni energi disosiasi sing luwih murah tinimbang bidang kristal {100} lan {110}. Mulane, bidang kristal iki luwih gampang diencerake kanthi penggilingan bola, lan pungkasane mbentuk struktur sing serpihan. Struktur flaky kondusif kanggo klempakan saka struktur ngeculke, cadangan papan kanggo expansion volume saka silikon, lan nambah stabilitas saka materi.
Slurry sing ngemot nano-silikon, CNT lan grafit disemprotake, lan bubuk sadurunge lan sawise uyuh diteliti dening SEM. Asil ditampilake ing Gambar 2. Matriks grafit sing ditambahake sadurunge nyemprotake yaiku struktur flake khas kanthi ukuran 5 nganti 20 μm [Gambar 2 (a)]. Uji distribusi ukuran partikel grafit nuduhake yen D50 yaiku 15μm. Wêdakakêna sing dipikolehi sawise disemprotake nduweni morfologi bundher [Gambar 2(b)], lan bisa dideleng yen grafit dilapisi lapisan lapisan sawise nyemprotake. D50 bubuk sawise nyemprot yaiku 26,2 μm. Karakteristik morfologi partikel sekunder diamati dening SEM, nuduhake karakteristik struktur keropos longgar sing diklumpukake dening nanomaterial [Gambar 2 (c)]. Struktur keropos kasusun saka nanosheets silikon lan CNTs intertwined karo siji liyane [Gambar 2(d)], lan area lumahing tartamtu test (BET) dhuwur minangka 53,3 m2/g. Mulane, sawise uyuh, nanosheets silikon lan CNTs poto-ngumpul kanggo mbentuk struktur keropos.
Lapisan keropos diolah nganggo lapisan karbon cair, lan sawise nambahake pitch prekursor lapisan karbon lan karbonisasi, pengamatan SEM ditindakake. Asil ditampilake ing Figure 3. Sawise karbon pra-lapisan, lumahing partikel secondary dadi Gamelan, karo lapisan nutupi ketok, lan nutupi rampung, minangka ditampilake ing Figures 3 (a) lan (b). Sawise karbonisasi, lapisan lapisan permukaan njaga kondisi lapisan sing apik [Gambar 3 (c)]. Kajaba iku, gambar SEM cross-sectional nuduhake nanopartikel berbentuk strip [Gambar 3 (d)], sing cocog karo karakteristik morfologi nanosheets, luwih verifikasi pambentukan nanosheets silikon sawise panggilingan werni. Kajaba iku, Figure 3 (d) nuduhake yen ana pangisi antarane sawetara nanosheets. Iki utamane amarga nggunakake metode lapisan fase cair. Solusi aspal bakal nembus menyang materi, supaya lumahing nanosheets silikon internal entuk lapisan protèktif lapisan karbon. Mulane, kanthi nggunakake lapisan fase cair, saliyane entuk efek lapisan partikel sekunder, efek lapisan karbon ganda saka lapisan partikel primer uga bisa diduweni. Bubuk karbonisasi diuji dening BET, lan asil tes yaiku 22,3 m2 / g.
Wêdakakêna karbonisasi ditindakake analisis spektrum energi cross-sectional (EDS), lan asil ditampilake ing Gambar 4 (a). Inti ukuran mikron yaiku komponen C, cocog karo matriks grafit, lan lapisan njaba ngemot silikon lan oksigen. Kanggo luwih neliti struktur silikon, tes difraksi sinar-X (XRD) ditindakake, lan asil ditampilake ing Gambar 4(b). Materi kasebut utamane kasusun saka grafit lan silikon kristal tunggal, tanpa ciri silikon oksida sing jelas, nuduhake yen komponen oksigen saka tes spektrum energi utamane asale saka oksidasi alami permukaan silikon. Bahan komposit silikon-karbon dicathet minangka S1.
Bahan silikon-karbon S1 sing disiapake ditindakake ing produksi setengah sel lan tes pangisian daya. Kurva pangisian daya-discharge pisanan ditampilake ing Figure 5. Kapasitas spesifik sing bisa dibalikake yaiku 1000,8 mAh / g, lan efisiensi siklus pertama nganti 93,9%, sing luwih dhuwur tinimbang efisiensi pisanan saka bahan basis silikon tanpa pre- lithiation kacarita ing sastra. Efisiensi pisanan sing dhuwur nuduhake yen bahan komposit silikon-karbon sing disiapake nduweni stabilitas sing dhuwur. Kanggo verifikasi efek struktur keropos, jaringan konduktif lan lapisan karbon ing stabilitas bahan silikon-karbon, rong jinis bahan silikon-karbon disiapake tanpa nambah CNT lan tanpa lapisan karbon primer.
Morfologi bubuk karbonisasi saka bahan komposit silikon-karbon tanpa nambah CNT ditampilake ing Gambar 6. Sawise lapisan fase cair lan karbonisasi, lapisan lapisan bisa katon kanthi jelas ing permukaan partikel sekunder ing Gambar 6 (a). SEM cross-sectional saka materi carbonized ditampilake ing Figure 6 (b). Numpuk nanosheet silikon nduweni ciri keropos, lan tes BET yaiku 16,6 m2 / g. Nanging, dibandhingake karo kasus karo CNT [kaya sing ditampilake ing Gambar 3 (d), tes BET saka bubuk karbonisasi yaiku 22,3 m2 / g], Kapadhetan tumpukan nano-silikon internal luwih dhuwur, nuduhake yen tambahan CNT bisa ningkatake. pembentukan struktur keropos. Kajaba iku, materi kasebut ora duwe jaringan konduktif telung dimensi sing dibangun dening CNT. Bahan komposit silikon-karbon kacathet minangka S2.
Karakteristik morfologi saka bahan komposit silikon-karbon sing disiapake kanthi lapisan karbon fase padhet ditampilake ing Gambar 7. Sawise karbonisasi, ana lapisan lapisan sing jelas ing permukaan, kaya sing ditampilake ing Gambar 7 (a). Gambar 7(b) nuduhake yen ana nanopartikel berbentuk strip ing bagean silang, sing cocog karo karakteristik morfologi saka lembaran nano. Akumulasi nanosheets mbentuk struktur keropos. Ora ana pangisi sing jelas ing permukaan nanosheet internal, sing nuduhake yen lapisan karbon fase padhet mung mbentuk lapisan lapisan karbon kanthi struktur keropos, lan ora ana lapisan lapisan internal kanggo nanosheet silikon. Bahan komposit silikon-karbon iki kacathet minangka S3.
Tes pangisian lan discharge setengah sel jinis tombol ditindakake ing S2 lan S3. Kapasitas spesifik lan efisiensi pisanan S2 yaiku 1120,2 mAh / g lan 84,8%, lan kapasitas spesifik lan efisiensi pisanan S3 yaiku 882,5 mAh / g lan 82,9%. Kapasitas spesifik lan efisiensi pisanan saka sampel S3 sing dilapisi fase padhet yaiku sing paling murah, nuduhake yen mung lapisan karbon saka struktur keropos sing ditindakake, lan lapisan karbon saka nanosheet silikon internal ora ditindakake, sing ora bisa muter kanthi lengkap. kanggo kapasitas tartamtu saka bahan basis silikon lan ora bisa nglindhungi lumahing materi basis silikon. Efisiensi pisanan saka sampel S2 tanpa CNT uga luwih murah tinimbang bahan komposit silikon-karbon sing ngemot CNT, sing nuduhake yen adhedhasar lapisan lapisan sing apik, jaringan konduktif lan struktur keropos sing luwih dhuwur cocog kanggo perbaikan. efisiensi pangisian daya lan discharge saka bahan silikon-karbon.
Materi silikon-karbon S1 digunakake kanggo nggawe baterei lengkap paket alus cilik kanggo mriksa kinerja tingkat lan kinerja siklus. Kurva tingkat discharge ditampilake ing Figure 8(a). Kapasitas discharge 0.2C, 0.5C, 1C, 2C lan 3C yaiku 2.970, 2.999, 2.920, 2.176 lan 1.021 Ah. Tingkat discharge 1C nganti 98,3%, nanging tingkat discharge 2C mudhun dadi 73,3%, lan tingkat discharge 3C mudhun nganti 34,4%. Kanggo gabung karo klompok ijol-ijolan elektroda negatif silikon, tambahake WeChat: shimobang. Ing babagan tingkat pangisian daya, kapasitas pangisian daya 0.2C, 0.5C, 1C, 2C lan 3C yaiku 3.186, 3.182, 3.081, 2.686 lan 2.289 Ah. Tingkat pangisian daya 1C yaiku 96,7%, lan tingkat pangisian daya 2C isih tekan 84,3%. Nanging, mirsani kurva pangisian daya ing Gambar 8(b), platform pangisian daya 2C luwih gedhe tinimbang platform pangisian daya 1C, lan kapasitas pangisian daya voltase konstan paling akeh (55%), sing nuduhake polarisasi baterei sing bisa diisi ulang 2C yaiku wis gedhe banget. Bahan silikon-karbon nduweni kinerja pangisian daya lan ngisi daya sing apik ing 1C, nanging karakteristik struktural materi kasebut kudu luwih apik kanggo entuk kinerja tingkat sing luwih dhuwur. Minangka ditampilake ing Figure 9, sawise 450 siklus, tingkat penylametan kapasitas 78%, nuduhake kinerja siklus apik.
Kahanan permukaan elektroda sadurunge lan sawise siklus diselidiki dening SEM, lan asil ditampilake ing Gambar 10. Sadurunge siklus, lumahing bahan grafit lan silikon-karbon cetha [Gambar 10 (a)]; sawise siklus, lapisan nutupi temenan kui ing lumahing [Figure 10 (b)], kang film SEI nglukis. SEI film roughnessKonsumsi lithium aktif dhuwur, kang ora kondusif kanggo kinerja siklus. Mulane, mromosiaken tatanan saka film SEI Gamelan (kayata construction film SEI Ponggawa, nambah aditif elektrolit cocok, etc.) Bisa nambah kinerja siklus. Pengamatan SEM cross-sectional partikel silikon-karbon sawise siklus [Gambar 10(c)] nuduhake yen nanopartikel silikon wangun Strip asli dadi coarser lan struktur keropos wis Sejatine ngilangi. Iki utamane amarga ekspansi volume terus-terusan lan kontraksi bahan silikon-karbon sajrone siklus kasebut. Mulane, struktur keropos kudu luwih ditingkatake kanggo nyedhiyakake papan buffer sing cukup kanggo ekspansi volume bahan basis silikon.
3 Kesimpulan
Adhedhasar expansion volume, konduktivitas miskin lan stabilitas antarmuka miskin bahan elektroda negatif adhedhasar silikon, kertas iki ndadekake dandan diangkah, saka morfologi mbentuk nanosheets silikon, construction struktur keropos, construction jaringan konduktif lan nutupi karbon lengkap kabeh partikel secondary. , kanggo nambah stabilitas bahan elektroda negatif adhedhasar silikon minangka kabèh. Akumulasi lembaran nano silikon bisa mbentuk struktur keropos. Introduksi CNT bakal luwih ningkatake pembentukan struktur keropos. Bahan komposit silikon-karbon sing disiapake kanthi lapisan fase cair nduweni efek lapisan karbon dobel tinimbang sing disiapake kanthi lapisan fase padat, lan nuduhake kapasitas spesifik sing luwih dhuwur lan efisiensi pisanan. Kajaba iku, efisiensi pisanan saka bahan komposit silikon-karbon sing ngemot CNT luwih dhuwur tinimbang tanpa CNT, sing utamane amarga kemampuan struktur keropos sing luwih dhuwur kanggo nyuda ekspansi volume bahan basis silikon. Introduksi saka CNT bakal mbangun jaringan konduktif telung dimensi, nambah konduktivitas bahan basis silikon, lan nuduhake kinerja tingkat apik ing 1C; lan materi nuduhake kinerja siklus apik. Nanging, struktur keropos saka materi perlu luwih dikuwati kanggo nyedhiyani papan buffer cekap kanggo expansion volume saka silikon, lan ningkataké tatanan saka Gamelan.lan film SEI sing padhet kanggo nambah kinerja siklus saka materi komposit silikon-karbon.
Kita uga nyedhiyakake produk grafit lan silikon karbida kanthi kemurnian dhuwur, sing akeh digunakake ing proses wafer kaya oksidasi, difusi, lan anil.
Welcome sembarang pelanggan saka sak ndonya kanggo ngunjungi kita kanggo diskusi luwih!
https://www.vet-china.com/
Wektu kirim: Nov-13-2024