ფოროვანი სილიციუმის ნახშირბადის კომპოზიტური მასალების მომზადება და მუშაობის გაუმჯობესება

ლითიუმ-იონური ბატარეები ძირითადად მაღალი ენერგიის სიმკვრივის მიმართულებით ვითარდება. ოთახის ტემპერატურაზე, სილიციუმის ბაზაზე დამზადებული უარყოფითი ელექტროდის მასალები ლითიუმთან შენადნობენ ლითიუმით მდიდარი პროდუქტის, Li3.75Si ფაზის მისაღებად, რომლის სპეციფიკური სიმძლავრე 3572 mAh/g-მდეა, რაც გაცილებით მეტია გრაფიტის უარყოფითი ელექტროდის თეორიულ სპეციფიკურ სიმძლავრეზე 372 mAh/g. თუმცა, სილიციუმის ბაზაზე დამზადებული უარყოფითი ელექტროდის მასალების განმეორებითი დატენვისა და განმუხტვის პროცესის დროს, Si-სა და Li3.75Si-ის ფაზურმა ტრანსფორმაციამ შეიძლება გამოიწვიოს უზარმაზარი მოცულობის გაფართოება (დაახლოებით 300%), რაც გამოიწვევს ელექტროდის მასალების სტრუქტურულ დაფხვნას და SEI აპკის უწყვეტ ფორმირებას და საბოლოოდ იწვევს სიმძლავრის სწრაფ ვარდნას. ინდუსტრია ძირითადად აუმჯობესებს სილიციუმის ბაზაზე დამზადებული უარყოფითი ელექტროდის მასალების მუშაობას და სილიციუმის ბაზაზე დამზადებული ბატარეების სტაბილურობას ნანოზომების, ნახშირბადის საფარის, ფორების ფორმირების და სხვა ტექნოლოგიების მეშვეობით.

ნახშირბადის მასალებს აქვთ კარგი გამტარობა, დაბალი ღირებულება და ფართო წყაროები. მათ შეუძლიათ გააუმჯობესონ სილიციუმის ბაზაზე დაფუძნებული მასალების გამტარობა და ზედაპირული სტაბილურობა. ისინი უპირატესად გამოიყენება, როგორც დანამატები სილიციუმის ბაზაზე დაფუძნებული უარყოფითი ელექტროდებისთვის. სილიციუმ-ნახშირბადის მასალები სილიციუმის ბაზაზე დაფუძნებული უარყოფითი ელექტროდების განვითარების ძირითადი მიმართულებაა. ნახშირბადის საფარი აუმჯობესებს სილიციუმის ბაზაზე დაფუძნებული მასალების ზედაპირულ სტაბილურობას, მაგრამ მისი უნარი, შეაფერხოს სილიციუმის მოცულობის გაფართოების პრობლემა, ზოგადია და ვერ წყვეტს სილიციუმის მოცულობის გაფართოების პრობლემას. ამიტომ, სილიციუმის ბაზაზე დაფუძნებული მასალების სტაბილურობის გასაუმჯობესებლად, საჭიროა ფოროვანი სტრუქტურების აგება. ბურთულიანი დაფქვა ნანომასალების მომზადების ინდუსტრიული მეთოდია. კომპოზიტური მასალის დიზაინის მოთხოვნების შესაბამისად, ბურთულიანი დაფქვით მიღებულ ნალექს შეიძლება დაემატოს სხვადასხვა დანამატები ან მასალის კომპონენტები. ნალექი თანაბრად ნაწილდება სხვადასხვა ნალექში და შრება შესხურებით. მყისიერი გაშრობის პროცესის დროს, ნანონაწილაკები და ნალექში არსებული სხვა კომპონენტები სპონტანურად ქმნიან ფოროვან სტრუქტურულ მახასიათებლებს. ეს ნაშრომი იყენებს ინდუსტრიულ და ეკოლოგიურად სუფთა ბურთულიანი დაფქვისა და შესხურებით გაშრობის ტექნოლოგიას ფოროვანი სილიციუმის ბაზაზე დაფუძნებული მასალების მოსამზადებლად.

სილიციუმის ბაზაზე დამზადებული მასალების მუშაობის გაუმჯობესება ასევე შესაძლებელია სილიციუმის ნანომასალების მორფოლოგიისა და განაწილების მახასიათებლების რეგულირებით. ამჟამად, მომზადდა სილიციუმის ბაზაზე დამზადებული მასალები სხვადასხვა მორფოლოგიითა და განაწილების მახასიათებლებით, როგორიცაა სილიციუმის ნანოღეროები, ფოროვანი გრაფიტში ჩასმული ნანოსილიციუმი, ნახშირბადის სფეროებში განაწილებული ნანოსილიციუმი, სილიციუმის/გრაფენის მასივის ფოროვანი სტრუქტურები და ა.შ. იმავე მასშტაბით, ნანონაწილაკებთან შედარებით, ნანოფურცლებს შეუძლიათ უკეთესად თრგუნონ მოცულობის გაფართოებით გამოწვეული დამსხვრევის პრობლემა და მასალას აქვს უფრო მაღალი დატკეპნის სიმკვრივე. ნანოფურცლების უწესრიგო დაწყობას ასევე შეუძლია ფოროვანი სტრუქტურის ფორმირება. სილიციუმის უარყოფითი ელექტროდის გაცვლის ჯგუფის შეერთება. ბუფერული სივრცის უზრუნველყოფა სილიციუმის მასალების მოცულობის გაფართოებისთვის. ნახშირბადის ნანომილაკების (CNTs) შეყვანას შეუძლია არა მხოლოდ გააუმჯობესოს მასალის გამტარობა, არამედ ხელი შეუწყოს მასალის ფოროვანი სტრუქტურების ფორმირებას მისი ერთგანზომილებიანი მორფოლოგიური მახასიათებლების გამო. არ არსებობს ცნობები სილიციუმის ნანოფურცლებითა და CNTs-ებით აგებული ფოროვანი სტრუქტურების შესახებ. ნაშრომში გამოყენებულია სამრეწველოდ გამოსაყენებელი ბურთულიანი დაფქვის, დაფქვისა და დისპერსიის, შესხურებით გაშრობის, ნახშირბადის წინასწარი დაფარვისა და კალცინაციის მეთოდები და მომზადების პროცესში გამოიყენება ფოროვანი პრომოუტერები სილიციუმის ნანოფურცლებისა და ნახშირბადის ბირთვების თვითაწყობით წარმოქმნილი ფოროვანი სილიციუმის ბაზაზე დამზადებული უარყოფითი ელექტროდის მასალების მოსამზადებლად. მომზადების პროცესი მარტივია, ეკოლოგიურად სუფთა და არ წარმოიქმნება ნარჩენი სითხე ან ნარჩენები. სილიციუმის ბაზაზე დამზადებული მასალების ნახშირბადის საფარის შესახებ ლიტერატურაში მრავალი ცნობა არსებობს, მაგრამ საფარის ეფექტის შესახებ სიღრმისეული დისკუსიები მცირეა. ნაშრომში გამოყენებულია ასფალტი, როგორც ნახშირბადის წყარო, ნახშირბადის საფარის ორი მეთოდის - თხევადი ფაზის საფარის და მყარი ფაზის საფარის - გავლენის შესასწავლად საფარის ეფექტსა და სილიციუმის ბაზაზე დამზადებული უარყოფითი ელექტროდის მასალების მუშაობაზე.

1 ექსპერიმენტი

1.1 მასალის მომზადება

ფოროვანი სილიციუმ-ნახშირბადის კომპოზიტური მასალების მომზადება ძირითადად ხუთ ეტაპს მოიცავს: ბურთულიანი დაფქვა, დაფქვა და დისპერსია, შესხურებით გაშრობა, ნახშირბადის წინასწარი დაფარვა და კარბონიზაცია. პირველ რიგში, აწონეთ 500 გ საწყისი სილიციუმის ფხვნილი (ადგილობრივი, 99.99%-იანი სისუფთავით), დაამატეთ 2000 გ იზოპროპანოლი და ჩაატარეთ სველი ბურთულიანი დაფქვა 2000 ბრ/წთ ბურთულიანი დაფქვის სიჩქარით 24 საათის განმავლობაში ნანომასშტაბიანი სილიციუმის სუსპენზიის მისაღებად. მიღებული სილიციუმის სუსპენზია გადადის დისპერსიული გადაცემის ავზში და მასალები ემატება სილიციუმის: გრაფიტის (წარმოებულია შანხაიში, ბატარეის კლასის): ნახშირბადის ნანომილაკების (წარმოებულია ტიანძინში, ბატარეის კლასის): პოლივინილპიროლიდონის (წარმოებულია ტიანძინში, ანალიტიკური კლასის) მასის თანაფარდობის მიხედვით = 40:60:1.5:2. მყარი ნივთიერებების შემცველობის რეგულირებისთვის გამოიყენება იზოპროპანოლი, ხოლო მყარი ნივთიერებების შემცველობა გათვლილია 15%-ზე. დაფქვა და დისპერსია ხორციელდება 3500 ბრ/წთ დისპერსიის სიჩქარით 4 საათის განმავლობაში. შედარებულია CNT-ების დამატების გარეშე დამზადებული სუსპენზიების კიდევ ერთი ჯგუფი, დანარჩენი მასალები კი იგივეა. მიღებული დისპერსიული სუსპენზია გადადის შესხურებით გაშრობის მიმწოდებელ ავზში და შესხურებით გაშრობა ხორციელდება აზოტით დაცულ ატმოსფეროში, შესასვლელი და გამოსასვლელი ტემპერატურებით შესაბამისად 180 და 90 °C. შემდეგ შედარებულია ნახშირბადის საფარის ორი ტიპი: მყარი ფაზის საფარი და თხევადი ფაზის საფარი. მყარი ფაზის საფარის მეთოდია: შესხურებით გამშრალი ფხვნილი ერევა 20%-იან ასფალტის ფხვნილს (დამზადებულია კორეაში, D50 არის 5 μm), ირევა მექანიკურ მიქსერში 10 წუთის განმავლობაში და შერევის სიჩქარეა 2000 ბრ/წთ წინასწარ დაფარული ფხვნილის მისაღებად. თხევადი ფაზის საფარის მეთოდია: შესხურებით გამშრალი ფხვნილი ემატება ქსილენის ხსნარს (დამზადებულია ტიანძინში, ანალიტიკური კლასის), რომელიც შეიცავს 20%-იან ასფალტს, გახსნილი ფხვნილში 55%-იანი მყარი შემცველობით და თანაბრად ურიეთ ვაკუუმში. გამოაცხვეთ ვაკუუმურ ღუმელში 85°C ტემპერატურაზე 4 საათის განმავლობაში, მოათავსეთ მექანიკურ მიქსერში შესარევად, შერევის სიჩქარეა 2000 ბრ/წთ, ხოლო შერევის დრო 10 წუთი წინასწარ დაფარული ფხვნილის მისაღებად. დაბოლოს, წინასწარ დაფარული ფხვნილი გამოაცხვეს როტაციულ ღუმელში აზოტის ატმოსფეროში 5°C/წთ გათბობის სიჩქარით. თავდაპირველად, ის შეინარჩუნა მუდმივ ტემპერატურაზე 550°C 2 საათის განმავლობაში, შემდეგ გააგრძელეს გათბობა 800°C-მდე და შეინარჩუნეს მუდმივ ტემპერატურაზე 2 საათის განმავლობაში, შემდეგ ბუნებრივად გააცივეს 100°C-ზე დაბალ ტემპერატურამდე და გამოუშვეს სილიციუმ-ნახშირბადის კომპოზიტური მასალის მისაღებად.

1.2 დახასიათების მეთოდები

მასალის ნაწილაკების ზომის განაწილება გაანალიზდა ნაწილაკების ზომის ტესტერის გამოყენებით (Mastersizer 2000 ვერსია, დამზადებულია დიდ ბრიტანეთში). თითოეულ ეტაპზე მიღებული ფხვნილები შემოწმდა სკანირებადი ელექტრონული მიკროსკოპიით (Regulus8220, დამზადებულია იაპონიაში) ფხვნილების მორფოლოგიისა და ზომის შესასწავლად. მასალის ფაზური სტრუქტურა გაანალიზდა რენტგენის ფხვნილის დიფრაქციული ანალიზატორის გამოყენებით (D8 ADVANCE, დამზადებულია გერმანიაში), ხოლო მასალის ელემენტარული შემადგენლობა გაანალიზდა ენერგეტიკული სპექტრის ანალიზატორის გამოყენებით. მიღებული სილიციუმ-ნახშირბადის კომპოზიტური მასალა გამოყენებული იქნა CR2032 მოდელის ღილაკოვანი ნახევარუჯრედის დასამზადებლად და სილიციუმ-ნახშირბადის: SP: CNT: CMC: SBR მასის თანაფარდობა იყო 92:2:2:1.5:2.5. კონტრელექტროდი არის ლითონის ლითიუმის ფურცელი, ელექტროლიტი არის კომერციული ელექტროლიტი (მოდელი 1901, დამზადებულია კორეაში), გამოყენებულია Celgard 2320 დიაფრაგმა, დამუხტვისა და განმუხტვის ძაბვის დიაპაზონია 0.005-1.5 ვ, დამუხტვისა და განმუხტვის დენი არის 0.1 C (1C = 1A), ხოლო განმუხტვის გათიშვის დენი არის 0.05 C.

სილიციუმ-ნახშირბადის კომპოზიტური მასალების მუშაობის შემდგომი შესწავლის მიზნით, დამზადდა ლამინირებული პატარა რბილი შეფუთვის მქონე აკუმულატორი 408595. დადებითი ელექტროდი იყენებს NCM811-ს (დამზადებულია ჰუნანში, ბატარეის კლასის), ხოლო უარყოფითი ელექტროდის გრაფიტი დოპირებულია 8% სილიციუმ-ნახშირბადის მასალით. დადებითი ელექტროდის სუსპენზიის ფორმულაა 96% NCM811, 1.2% პოლივინილიდენფტორიდი (PVDF), 2% გამტარი აგენტი SP, 0.8% CNT და დისპერსანტად გამოიყენება NMP; უარყოფითი ელექტროდის სუსპენზიის ფორმულაა 96% კომპოზიტური უარყოფითი ელექტროდის მასალა, 1.3% CMC, 1.5% SBR 1.2% CNT და დისპერსანტად გამოიყენება წყალი. მორევის, დაფარვის, გაგორების, ჭრის, ლამინირების, ჩანართების შედუღების, შეფუთვის, გამოცხობის, სითხის ინექციის, ფორმირებისა და ტევადობის გაყოფის შემდეგ, მომზადდა 408595 ლამინირებული პატარა რბილი შეფუთვის მქონე აკუმულატორები 3 Ah ნომინალური ტევადობით. შემოწმდა 0.2C, 0.5C, 1C, 2C და 3C-ის სიჩქარის მაჩვენებლები და 0.5C დამუხტვისა და 1C განმუხტვის ციკლის მაჩვენებლები. დამუხტვისა და განმუხტვის ძაბვის დიაპაზონი იყო 2.8-4.2 ვ, მუდმივი დენი და მუდმივი ძაბვა დამუხტვა, ხოლო გათიშვის დენი იყო 0.5C.

2 შედეგები და განხილვა

საწყისი სილიციუმის ფხვნილი დაკვირვებული იქნა სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპიით (SEM). სილიციუმის ფხვნილი იყო არარეგულარული გრანულარული, ნაწილაკების ზომით 2 მკმ-ზე ნაკლები, როგორც ეს ნაჩვენებია ნახაზ 1(a)-ზე. ბურთულიანი დაფქვის შემდეგ, სილიციუმის ფხვნილის ზომა მნიშვნელოვნად შემცირდა დაახლოებით 100 ნმ-მდე [სურათი 1(b)]. ნაწილაკების ზომის ტესტმა აჩვენა, რომ ბურთულიანი დაფქვის შემდეგ სილიციუმის ფხვნილის D50 იყო 110 ნმ, ხოლო D90 - 175 ნმ. ბურთულიანი დაფქვის შემდეგ სილიციუმის ფხვნილის მორფოლოგიის ფრთხილად შესწავლა აჩვენებს ფენოვან სტრუქტურას (ფენოვანი სტრუქტურის ფორმირება შემდგომში გადამოწმდება განივი კვეთის SEM-ით). ამიტომ, ნაწილაკების ზომის ტესტით მიღებული D90 მონაცემები უნდა იყოს ნანოფურცლის სიგრძის განზომილება. SEM შედეგებთან ერთად, შეიძლება ვივარაუდოთ, რომ მიღებული ნანოფურცლის ზომა უფრო მცირეა, ვიდრე სილიციუმის ფხვნილის დაშლის კრიტიკული მნიშვნელობა 150 ნმ დატენვისა და განმუხტვის დროს, სულ მცირე, ერთ განზომილებაში. ფხვიერი მორფოლოგიის ფორმირება ძირითადად განპირობებულია კრისტალური სილიციუმის კრისტალური სიბრტყეების განსხვავებული დისოციაციის ენერგიებით, რომელთა შორის სილიციუმის {111} სიბრტყეს აქვს უფრო დაბალი დისოციაციის ენერგია, ვიდრე {100} და {110} კრისტალურ სიბრტყეებს. ამიტომ, ეს კრისტალური სიბრტყე უფრო ადვილად თხელდება ბურთულიანი დაფქვით და საბოლოოდ ქმნის ფხვიერ სტრუქტურას. ფხვიერი სტრუქტურა ხელს უწყობს ფხვიერი სტრუქტურების დაგროვებას, ტოვებს ადგილს სილიციუმის მოცულობითი გაფართოებისთვის და აუმჯობესებს მასალის სტაბილურობას.

ნანო-სილიციუმის, CNT-ის და გრაფიტის შემცველი სუსპენზია შეისხურეს, ხოლო შესხურებამდე და შესხურების შემდეგ ფხვნილი შემოწმდა SEM-ის მეთოდით. ​​შედეგები ნაჩვენებია ნახაზ 2-ში. შესხურებამდე დამატებული გრაფიტის მატრიცა წარმოადგენს ტიპურ ფანტელისებრ სტრუქტურას, რომლის ზომაა 5-დან 20 მკმ-მდე [სურათი 2(ა)]. გრაფიტის ნაწილაკების ზომის განაწილების ტესტი აჩვენებს, რომ D50 არის 15 მკმ. შესხურების შემდეგ მიღებულ ფხვნილს აქვს სფერული მორფოლოგია [სურათი 2(ბ)] და ჩანს, რომ შესხურების შემდეგ გრაფიტი დაფარულია საფარის ფენით. შესხურების შემდეგ ფხვნილის D50 არის 26.2 მკმ. მეორადი ნაწილაკების მორფოლოგიური მახასიათებლები დაფიქსირდა SEM-ის მეთოდით, რაც აჩვენებს ნანომასალების მიერ დაგროვილი ფხვიერი ფოროვანი სტრუქტურის მახასიათებლებს [სურათი 2(გ)]. ფოროვანი სტრუქტურა შედგება სილიციუმის ნანოფურცლებისა და ერთმანეთთან გადაჯაჭვული CNT-ებისგან [სურათი 2(დ)] და ტესტის სპეციფიკური ზედაპირის ფართობი (BET) აღწევს 53.3 მ2/გ-ს. ამიტომ, შესხურების შემდეგ, სილიკონის ნანოფურცლები და CNT-ები თვითაწყობას ახდენენ ფოროვანი სტრუქტურის შესაქმნელად.

ფოროვანი ფენა დამუშავდა თხევადი ნახშირბადის საფარით და ნახშირბადის საფარის წინამორბედი ფისის დამატების და კარბონიზაციის შემდეგ ჩატარდა SEM დაკვირვება. შედეგები ნაჩვენებია ნახაზ 3-ში. ნახშირბადის წინასწარი დაფარვის შემდეგ, მეორადი ნაწილაკების ზედაპირი ხდება გლუვი, აშკარა საფარის ფენით და საფარი დასრულებულია, როგორც ეს ნაჩვენებია ნახაზ 3(ა) და (ბ). კარბონიზაციის შემდეგ, ზედაპირული საფარის ფენა ინარჩუნებს კარგ საფარის მდგომარეობას [სურათი 3(გ)]. გარდა ამისა, განივი SEM გამოსახულება აჩვენებს ზოლის ფორმის ნანონაწილაკებს [სურათი 3(დ)], რომლებიც შეესაბამება ნანოფურცლების მორფოლოგიურ მახასიათებლებს, რაც კიდევ უფრო ადასტურებს სილიციუმის ნანოფურცლების წარმოქმნას ბურთულიანი დაფქვის შემდეგ. გარდა ამისა, სურათი 3(დ) აჩვენებს, რომ ზოგიერთ ნანოფურცლას შორის არის შემავსებლები. ეს ძირითადად განპირობებულია თხევადი ფაზის საფარის მეთოდის გამოყენებით. ასფალტის ხსნარი შეაღწევს მასალაში, ისე, რომ შიდა სილიციუმის ნანოფურცლების ზედაპირი იღებს ნახშირბადის საფარის დამცავ ფენას. ამგვარად, თხევადი ფაზის საფარის გამოყენებით, მეორადი ნაწილაკების საფარის ეფექტის მიღებასთან ერთად, შესაძლებელია პირველადი ნაწილაკების საფარის ორმაგი ნახშირბადის საფარის ეფექტის მიღებაც. კარბონიზებული ფხვნილი BET-ით იქნა გამოცდილი და ტესტის შედეგმა 22.3 მ2/გ შეადგინა.

კარბონიზებულ ფხვნილს ჩაუტარდა განივი კვეთის ენერგეტიკული სპექტრის ანალიზი (EDS), რომლის შედეგებიც ნაჩვენებია ნახაზ 4(a)-ზე. მიკრონის ზომის ბირთვი წარმოადგენს C კომპონენტს, რომელიც შეესაბამება გრაფიტის მატრიცას, ხოლო გარეთა საფარი შეიცავს სილიციუმს და ჟანგბადს. სილიციუმის სტრუქტურის შემდგომი შესწავლის მიზნით, ჩატარდა რენტგენის დიფრაქციის (XRD) ტესტი, რომლის შედეგებიც ნაჩვენებია ნახაზ 4(b)-ზე. მასალა ძირითადად შედგება გრაფიტისა და ერთკრისტალური სილიციუმისგან, რომელსაც არ გააჩნია აშკარა სილიციუმის ოქსიდის მახასიათებლები, რაც მიუთითებს, რომ ენერგეტიკული სპექტრის ტესტის ჟანგბადის კომპონენტი ძირითადად მოდის სილიციუმის ზედაპირის ბუნებრივი დაჟანგვის შედეგად. სილიციუმ-ნახშირბადის კომპოზიტური მასალა ჩაწერილია, როგორც S1.

მომზადებულ სილიციუმ-ნახშირბადის მასალას S1 ჩაუტარდა ღილაკ-ტიპის ნახევარუჯრედული წარმოებისა და დამუხტვა-განმუხტვის ტესტები. პირველი დამუხტვა-განმუხტვის მრუდი ნაჩვენებია ნახაზ 5-ში. შექცევადი სპეციფიკური ტევადობაა 1000.8 mAh/g, ხოლო პირველი ციკლის ეფექტურობა 93.9%-ს აღწევს, რაც უფრო მაღალია, ვიდრე ლიტერატურაში აღწერილი სილიციუმზე დაფუძნებული მასალების უმეტესობის პირველი ეფექტურობა წინასწარი ლითიაციის გარეშე. მაღალი პირველი ეფექტურობა მიუთითებს, რომ მომზადებულ სილიციუმ-ნახშირბადის კომპოზიტურ მასალას აქვს მაღალი სტაბილურობა. ფოროვანი სტრუქტურის, გამტარი ქსელის და ნახშირბადის საფარის სილიციუმ-ნახშირბადის მასალების სტაბილურობაზე ზემოქმედების დასადასტურებლად, მომზადდა სილიციუმ-ნახშირბადის ორი ტიპის მასალა CNT-ის დამატების და პირველადი ნახშირბადის საფარის გარეშე.

სილიციუმ-ნახშირბადის კომპოზიტური მასალის კარბონიზებული ფხვნილის მორფოლოგია CNT-ის დამატების გარეშე ნაჩვენებია ნახაზ 6-ში. თხევადი ფაზის დაფარვისა და კარბონიზაციის შემდეგ, მეორადი ნაწილაკების ზედაპირზე საფარის ფენა აშკარად ჩანს ნახაზ 6(ა)-ში. კარბონიზებული მასალის განივი კვეთა SEM ნაჩვენებია ნახაზ 6(ბ)-ში. სილიციუმის ნანოფურცლების დაწყობას აქვს ფოროვანი მახასიათებლები და BET ტესტი არის 16.6 მ2/გ. თუმცა, CNT-ის შემთხვევასთან შედარებით [როგორც ნაჩვენებია ნახაზ 3(დ)-ში, მისი კარბონიზებული ფხვნილის BET ტესტი არის 22.3 მ2/გ], შიდა ნანო-სილიციუმის დაწყობის სიმკვრივე უფრო მაღალია, რაც მიუთითებს, რომ CNT-ის დამატებამ შეიძლება ხელი შეუწყოს ფოროვანი სტრუქტურის ფორმირებას. გარდა ამისა, მასალას არ აქვს CNT-ით აგებული სამგანზომილებიანი გამტარი ქსელი. სილიციუმ-ნახშირბადის კომპოზიტური მასალა ჩაწერილია როგორც S2.

მყარი ფაზის ნახშირბადის საფარით მომზადებული სილიციუმ-ნახშირბადის კომპოზიტური მასალის მორფოლოგიური მახასიათებლები ნაჩვენებია ნახაზ 7-ში. კარბონიზაციის შემდეგ, ზედაპირზე აშკარა საფარის ფენაა, როგორც ეს ნაჩვენებია ნახაზ 7(ა)-ზე. ნახაზ 7(ბ)-ზე ჩანს, რომ განივი კვეთის დროს ზოლის ფორმის ნანონაწილაკებია, რაც შეესაბამება ნანოფურცლების მორფოლოგიურ მახასიათებლებს. ნანოფურცლების დაგროვება ქმნის ფოროვან სტრუქტურას. შიდა ნანოფურცლების ზედაპირზე აშკარა შემავსებელი არ არის, რაც მიუთითებს, რომ მყარი ფაზის ნახშირბადის საფარი მხოლოდ ფოროვანი სტრუქტურის მქონე ნახშირბადის საფარის ფენას ქმნის და სილიციუმის ნანოფურცლებისთვის შიდა საფარის ფენა არ არსებობს. ეს სილიციუმ-ნახშირბადის კომპოზიტური მასალა ჩაწერილია, როგორც S3.

ღილაკოვანი ტიპის ნახევარუჯრედის დამუხტვა-განმუხტვის ტესტი ჩატარდა S2-სა და S3-ზე. S2-ის სპეციფიკური სიმძლავრე და პირველი ეფექტურობა შესაბამისად 1120.2 mAh/g და 84.8% იყო, ხოლო S3-ის სპეციფიკური სიმძლავრე და პირველი ეფექტურობა შესაბამისად 882.5 mAh/g და 82.9%. მყარი ფაზით დაფარული S3 ნიმუშის სპეციფიკური სიმძლავრე და პირველი ეფექტურობა ყველაზე დაბალი იყო, რაც მიუთითებს, რომ ფოროვანი სტრუქტურის მხოლოდ ნახშირბადის საფარი იყო გამოყენებული, ხოლო შიდა სილიციუმის ნანოფურცლების ნახშირბადის საფარი არ იყო გამოყენებული, რაც ვერ ახერხებდა სილიციუმის ბაზაზე დაფუძნებული მასალის სპეციფიკური სიმძლავრის სრულად გამოყენებას და ვერ იცავდა სილიციუმის ბაზაზე დაფუძნებული მასალის ზედაპირს. CNT-ის გარეშე S2 ნიმუშის პირველი ეფექტურობა ასევე უფრო დაბალი იყო, ვიდრე CNT-ის შემცველი სილიციუმ-ნახშირბადის კომპოზიტური მასალის, რაც მიუთითებს, რომ კარგი საფარის ფენის საფუძველზე, გამტარი ქსელი და ფოროვანი სტრუქტურის უფრო მაღალი ხარისხი ხელს უწყობს სილიციუმ-ნახშირბადის მასალის დამუხტვისა და განმუხტვის ეფექტურობის გაუმჯობესებას.

S1 სილიციუმ-ნახშირბადის მასალა გამოყენებული იქნა პატარა, რბილი პაკეტის მქონე, სავსე ბატარეის დასამზადებლად, სიჩქარისა და ციკლის მახასიათებლების შესასწავლად. განმუხტვის სიჩქარის მრუდი ნაჩვენებია ნახაზ 8(a)-ზე. 0.2C, 0.5C, 1C, 2C და 3C განმუხტვის სიმძლავრეები შესაბამისად 2.970, 2.999, 2.920, 2.176 და 1.021 Ah-ია. 1C განმუხტვის სიჩქარე 98.3%-ს აღწევს, მაგრამ 2C განმუხტვის სიჩქარე 73.3%-მდე ეცემა, ხოლო 3C განმუხტვის სიჩქარე კიდევ უფრო 34.4%-მდე ეცემა. სილიციუმის უარყოფითი ელექტროდების გაცვლის ჯგუფში გასაწევრიანებლად, გთხოვთ, დაამატოთ WeChat: shimobang. დატენვის სიჩქარის თვალსაზრისით, 0.2C, 0.5C, 1C, 2C და 3C დამუხტვის სიმძლავრეები შესაბამისად 3.186, 3.182, 3.081, 2.686 და 2.289 Ah-ია. 1C დამუხტვის სიჩქარე 96.7%-ია, ხოლო 2C დამუხტვის სიჩქარე კვლავ 84.3%-ს აღწევს. თუმცა, ნახაზ 8(b)-ზე მოცემული დამუხტვის მრუდის დაკვირვებით, 2C დამუხტვის პლატფორმა მნიშვნელოვნად დიდია 1C დამუხტვის პლატფორმაზე და მისი მუდმივი ძაბვის დამუხტვის სიმძლავრე უმეტეს ნაწილს შეადგენს (55%), რაც მიუთითებს, რომ 2C დატენვადი აკუმულატორის პოლარიზაცია ისედაც ძალიან დიდია. სილიციუმ-ნახშირბადის მასალას აქვს კარგი დამუხტვისა და განმუხტვის მახასიათებლები 1C-ზე, მაგრამ მასალის სტრუქტურული მახასიათებლები კიდევ უფრო გაუმჯობესებას საჭიროებს უფრო მაღალი სიჩქარის მისაღწევად. როგორც ნაჩვენებია ნახაზ 9-ზე, 450 ციკლის შემდეგ, სიმძლავრის შენარჩუნების მაჩვენებელი 78%-ია, რაც კარგ ციკლის მუშაობაზე მიუთითებს.

ელექტროდის ზედაპირის მდგომარეობა ციკლამდე და მის შემდეგ გამოკვლეული იქნა SEM-ის გამოყენებით და შედეგები ნაჩვენებია ნახაზ 10-ში. ციკლამდე გრაფიტისა და სილიციუმ-ნახშირბადის მასალების ზედაპირი გამჭვირვალეა [სურათი 10(ა)]; ციკლის შემდეგ, ზედაპირზე აშკარად წარმოიქმნება საფარის ფენა [სურათი 10(ბ)], რომელიც წარმოადგენს სქელ SEI ფენას. SEI ფენის უხეშობა აქტიური ლითიუმის მოხმარება მაღალია, რაც ხელს არ უწყობს ციკლის მუშაობას. ამიტომ, გლუვი SEI ფენის ფორმირების ხელშეწყობა (მაგალითად, ხელოვნური SEI ფენის კონსტრუქცია, შესაფერისი ელექტროლიტური დანამატების დამატება და ა.შ.) შეიძლება გააუმჯობესოს ციკლის მუშაობა. სილიციუმ-ნახშირბადის ნაწილაკების განივი კვეთის SEM დაკვირვება ციკლის შემდეგ [სურათი 10(გ)] აჩვენებს, რომ ორიგინალური ზოლის ფორმის სილიციუმის ნანონაწილაკები უფრო უხეში გახდა და ფოროვანი სტრუქტურა ძირითადად აღმოფხვრილია. ეს ძირითადად განპირობებულია სილიციუმ-ნახშირბადის მასალის უწყვეტი მოცულობითი გაფართოებითა და შეკუმშვით ციკლის დროს. ამიტომ, ფოროვანი სტრუქტურა კიდევ უფრო უნდა გაუმჯობესდეს, რათა უზრუნველყოფილი იყოს საკმარისი ბუფერული სივრცე სილიციუმზე დაფუძნებული მასალის მოცულობითი გაფართოებისთვის.

3 დასკვნა

სილიციუმის ბაზაზე დაფუძნებული უარყოფითი ელექტროდის მასალების მოცულობითი გაფართოების, დაბალი გამტარობისა და ცუდი ინტერფეისის სტაბილურობის გათვალისწინებით, ეს ნაშრომი მიზნობრივ გაუმჯობესებას გვთავაზობს, სილიციუმის ნანოფურცლების მორფოლოგიური ფორმირებიდან დაწყებული, ფოროვანი სტრუქტურის აგებით, გამტარი ქსელის აგებით და მთელი მეორადი ნაწილაკების სრული ნახშირბადით დაფარვით, სილიციუმის ბაზაზე დაფუძნებული უარყოფითი ელექტროდის მასალების მთლიანობაში სტაბილურობის გასაუმჯობესებლად. სილიციუმის ნანოფურცლების დაგროვებამ შეიძლება გამოიწვიოს ფოროვანი სტრუქტურა. CNT-ის შეყვანა კიდევ უფრო შეუწყობს ხელს ფოროვანი სტრუქტურის ფორმირებას. თხევადი ფაზის საფარით მომზადებულ სილიციუმ-ნახშირბადის კომპოზიტურ მასალას აქვს ორმაგი ნახშირბადის საფარის ეფექტი, ვიდრე მყარი ფაზის საფარით მომზადებულს და ავლენს უფრო მაღალ სპეციფიკურ ტევადობას და პირველი ეფექტურობის დონეს. გარდა ამისა, CNT-ის შემცველი სილიციუმის-ნახშირბადის კომპოზიტური მასალის პირველი ეფექტურობა უფრო მაღალია, ვიდრე CNT-ის გარეშე, რაც ძირითადად განპირობებულია ფოროვანი სტრუქტურის უფრო მაღალი უნარით, შეამსუბუქოს სილიციუმის ბაზაზე დაფუძნებული მასალების მოცულობითი გაფართოების დონე. CNT-ის შეყვანა შექმნის სამგანზომილებიან გამტარ ქსელს, გააუმჯობესებს სილიციუმის ბაზაზე დაფუძნებული მასალების გამტარობას და აჩვენებს კარგ სიჩქარის მაჩვენებელს 1°C-ზე; და მასალა აჩვენებს კარგ ციკლურ მაჩვენებელს. თუმცა, მასალის ფოროვანი სტრუქტურა დამატებით უნდა გამაგრდეს, რათა უზრუნველყოფილი იყოს საკმარისი ბუფერული სივრცე სილიციუმის მოცულობითი გაფართოებისთვის და ხელი შეუწყოს გლუვი ფენის ფორმირებას.და მკვრივი SEI ფენა სილიციუმ-ნახშირბადის კომპოზიტური მასალის ციკლის მუშაობის კიდევ უფრო გასაუმჯობესებლად.

ჩვენ ასევე ვაწვდით მაღალი სისუფთავის გრაფიტს და სილიციუმის კარბიდის პროდუქტებს, რომლებიც ფართოდ გამოიყენება ვაფლის დამუშავებაში, როგორიცაა დაჟანგვა, დიფუზია და გახურება.

კეთილი იყოს თქვენი მობრძანება ნებისმიერ მომხმარებელს მთელი მსოფლიოდან, რათა ეწვიონ ჩვენთან შემდგომი განხილვისთვის!

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