ფოროვანი სილიკონის ნახშირბადის კომპოზიტური მასალების მომზადება და მუშაობის გაუმჯობესება

ლითიუმ-იონური ბატარეები ძირითადად ვითარდება მაღალი ენერგიის სიმკვრივის მიმართულებით. ოთახის ტემპერატურაზე, სილიკონზე დაფუძნებული ნეგატიური ელექტროდის მასალების შენადნობი ლითიუმთან, რათა წარმოქმნას ლითიუმით მდიდარი პროდუქტი Li3.75Si ფაზა, სპეციფიური სიმძლავრით 3572 mAh/g-მდე, რაც ბევრად აღემატება გრაფიტის უარყოფითი ელექტროდის 372 თეორიულ სპეციფიკურ სიმძლავრეს. mAh/g. თუმცა, სილიკონზე დაფუძნებული უარყოფითი ელექტროდის მასალების განმეორებითი დატენვისა და განმუხტვის პროცესში, Si და Li3.75Si ფაზურმა ტრანსფორმაციამ შეიძლება გამოიწვიოს უზარმაზარი მოცულობის გაფართოება (დაახლოებით 300%), რაც გამოიწვევს ელექტროდის მასალების სტრუქტურულ ფხვნილს და უწყვეტ წარმოქმნას. SEI ფილმი და საბოლოოდ იწვევს სიმძლავრის სწრაფად დაცემას. ინდუსტრია ძირითადად აუმჯობესებს სილიკონზე დაფუძნებული უარყოფითი ელექტროდის მასალების მუშაობას და სილიკონზე დაფუძნებული ბატარეების სტაბილურობას ნანო ზომის, ნახშირბადის საფარის, ფორების ფორმირების და სხვა ტექნოლოგიების საშუალებით.

ნახშირბადის მასალებს აქვთ კარგი გამტარობა, დაბალი ღირებულება და ფართო წყაროები. მათ შეუძლიათ გააუმჯობესონ სილიკონზე დაფუძნებული მასალების გამტარობა და ზედაპირის სტაბილურობა. ისინი უპირატესად გამოიყენება, როგორც მუშაობის გაუმჯობესების დანამატები სილიკონზე დაფუძნებული უარყოფითი ელექტროდებისთვის. სილიკონ-ნახშირბადის მასალები სილიკონზე დაფუძნებული უარყოფითი ელექტროდების განვითარების ძირითადი მიმართულებაა. ნახშირბადის საფარს შეუძლია გააუმჯობესოს სილიკონზე დაფუძნებული მასალების ზედაპირის სტაბილურობა, მაგრამ მისი უნარი შეაფერხოს სილიციუმის მოცულობის გაფართოება ზოგადია და ვერ გადაჭრის სილიციუმის მოცულობის გაფართოების პრობლემას. ამიტომ, სილიკონზე დაფუძნებული მასალების სტაბილურობის გასაუმჯობესებლად საჭიროა ფოროვანი სტრუქტურების აგება. ბურთის დაფქვა არის ნანომასალების მომზადების ინდუსტრიული მეთოდი. სხვადასხვა დანამატები ან მატერიალური კომპონენტები შეიძლება დაემატოს ბურთულების დაფქვით მიღებულ ნაფოტას კომპოზიტური მასალის დიზაინის მოთხოვნების შესაბამისად. ნამცხვარი თანაბრად იშლება სხვადასხვა ნაფოტებში და აშრობენ სპრეით. მყისიერი გაშრობის პროცესის დროს, ნანონაწილაკები და სხვა კომპონენტები ნალექში სპონტანურად წარმოქმნიან ფოროვან სტრუქტურულ მახასიათებლებს. ეს ქაღალდი იყენებს ინდუსტრიულ და ეკოლოგიურად სუფთა ბურთულების დაფქვისა და სპრეით გაშრობის ტექნოლოგიას სილიკონზე დაფუძნებული ფოროვანი მასალების მოსამზადებლად.

სილიკონზე დაფუძნებული მასალების მოქმედება ასევე შეიძლება გაუმჯობესდეს სილიციუმის ნანომასალების მორფოლოგიისა და განაწილების მახასიათებლების რეგულირებით. ამჟამად მომზადებულია სილიკონზე დაფუძნებული მასალები სხვადასხვა მორფოლოგიით და განაწილების მახასიათებლებით, როგორიცაა სილიციუმის ნანოროლები, ფოროვანი გრაფიტის ჩაშენებული ნანოსილიციუმი, ნანოსილიციუმი განაწილებული ნახშირბადის სფეროებში, სილიციუმის/გრაფენის მასივის ფოროვანი სტრუქტურები და ა.შ. იმავე მასშტაბით, ნანონაწილაკებთან შედარებით. , ნანოფურცლებს უკეთ შეუძლიათ დათრგუნონ მოცულობის გაფართოებით გამოწვეული გამანადგურებელი პრობლემა და მასალას აქვს უფრო მაღალი დატკეპნის სიმკვრივე. ნანოფურცლების უწესრიგო დაწყობამ ასევე შეიძლება შექმნას ფოროვანი სტრუქტურა. სილიციუმის უარყოფითი ელექტროდის გაცვლის ჯგუფთან შეერთება. უზრუნველყოს ბუფერული სივრცე სილიკონის მასალების მოცულობის გაფართოებისთვის. ნახშირბადის ნანომილების (CNTs) დანერგვას შეუძლია არა მხოლოდ გააუმჯობესოს მასალის გამტარობა, არამედ ხელი შეუწყოს მასალის ფოროვანი სტრუქტურების წარმოქმნას მისი ერთგანზომილებიანი მორფოლოგიური მახასიათებლების გამო. არ არის მოხსენებები სილიკონის ნანოფურცლებითა და CNT-ებით აგებულ ფოროვან სტრუქტურებზე. ეს ნაშრომი იყენებს ინდუსტრიულად გამოსაყენებელ ბურთულების დაფქვის, დაფქვისა და დისპერსიის, სპრეით გაშრობის, ნახშირბადის წინასწარი საფარის და კალცინაციის მეთოდებს და ნერგავს ფოროვან პრომოტორებს მომზადების პროცესში, რათა მოამზადოს ფოროვანი სილიკონზე დაფუძნებული უარყოფითი ელექტროდი მასალები, რომლებიც წარმოიქმნება სილიციუმის ნანოფურცლების თვითშეკრებით და CNT-ები. მომზადების პროცესი მარტივია, ეკოლოგიურად სუფთა და არ წარმოიქმნება ნარჩენი სითხე ან ნარჩენების ნარჩენები. არსებობს მრავალი ლიტერატურული მოხსენება სილიკონზე დაფუძნებული მასალების ნახშირბადის საფარის შესახებ, მაგრამ არსებობს რამდენიმე სიღრმისეული დისკუსია საფარის ეფექტის შესახებ. ეს ნაშრომი იყენებს ასფალტს, როგორც ნახშირბადის წყაროს, რათა გამოიკვლიოს ნახშირბადის დაფარვის ორი მეთოდის, თხევადი ფაზის საფარის და მყარი ფაზის საფარის ეფექტი საფარის ეფექტზე და სილიკონზე დაფუძნებული უარყოფითი ელექტროდის მასალების მუშაობაზე.

1 ექსპერიმენტი

1.1 მასალის მომზადება

ფოროვანი სილიკონ-ნახშირბადის კომპოზიტური მასალების მომზადება ძირითადად მოიცავს ხუთ საფეხურს: ბურთის დაფქვას, დაფქვას და დისპერსიას, სპრეით გაშრობას, ნახშირბადის წინასწარ დაფარვას და კარბონიზაციას. პირველ რიგში, აწონეთ 500 გრ სილიკონის საწყისი ფხვნილი (შინაური, 99,99% სისუფთავე), დაამატეთ 2000 გრ იზოპროპანოლი და შეასრულეთ სველი ბურთულიანი დაფქვა 2000 რ/წთ ბურთის დაფქვის სიჩქარით 24 საათის განმავლობაში, რათა მიიღოთ ნანომასშტაბიანი სილიკონის ხსნარი. მიღებული სილიკონის ნალექი გადადის დისპერსიული გადამტან ავზში და მასალებს უმატებენ სილიციუმის მასის თანაფარდობის მიხედვით: გრაფიტი (წარმოებულია შანხაიში, ბატარეის ხარისხი): ნახშირბადის ნანომილები (წარმოებულია ტიანჯინში, ბატარეის ხარისხი): პოლივინილის პიროლიდონი (წარმოებულია). ტიანჯინში, ანალიტიკური ხარისხი) = 40:60:1.5:2. იზოპროპანოლი გამოიყენება მყარი შემცველობის დასარეგულირებლად, ხოლო მყარი შემცველობა განკუთვნილია 15%. დაფქვა და დისპერსია ხორციელდება დისპერსიის სიჩქარით 3500 რ/წთ 4 სთ. სხვა ჯგუფის slurries გარეშე დამატების CNTs შედარებულია, და სხვა მასალები იგივეა. მიღებული დისპერსიული ნალექი შემდეგ გადადის სპრეით საშრობი კვების ავზში და შესხურებით გაშრობა ხდება აზოტით დაცულ ატმოსფეროში, შემავალი და გამომავალი ტემპერატურა, შესაბამისად, 180 და 90 °C. შემდეგ შეადარეს ნახშირბადის საფარის ორი ტიპი, მყარი ფაზის საფარი და თხევადი ფაზის საფარი. მყარი ფაზის დაფარვის მეთოდია: შესხურებით გამშრალ ფხვნილს ურევენ 20% ასფალტის ფხვნილს (დამზადებულია კორეაში, D50 არის 5 მკმ), აურიეთ მექანიკურ მიქსერში 10 წუთის განმავლობაში და შერევის სიჩქარეა 2000 რ/წთ მისაღებად. წინასწარ დაფარული ფხვნილი. თხევადი ფაზის დაფარვის მეთოდია: სპრეით გამშრალ ფხვნილს უმატებენ ქსილენის ხსნარს (დამზადებულია ტიანჯინში, ანალიტიკური ხარისხი), რომელიც შეიცავს ფხვნილში გახსნილ 20% ასფალტს 55% მყარი შემცველობით და თანაბრად ურევენ ვაკუუმს. გამოაცხვეთ ვაკუუმურ ღუმელში 85℃ 4 სთ, ჩადეთ მექანიკურ მიქსერში ასარევად, შერევის სიჩქარეა 2000 რ/წთ და შერევის დრო 10 წთ წინასწარ დაფარული ფხვნილის მისაღებად. საბოლოოდ, წინასწარ დაფარული ფხვნილი კალცინირებული იყო მბრუნავ ღუმელში აზოტის ატმოსფეროში გაცხელების სიჩქარით 5°C/წთ. იგი ჯერ ინახებოდა 550°C მუდმივ ტემპერატურაზე 2 საათის განმავლობაში, შემდეგ გააგრძელა გათბობა 800°C-მდე და ინახებოდა მუდმივ ტემპერატურაზე 2 საათის განმავლობაში, შემდეგ კი ბუნებრივად გაცივდა 100°C-ზე დაბლა და გამოუშვა სილიციუმ-ნახშირბადის მისაღებად. კომპოზიტური მასალა.

1.2 დახასიათების მეთოდები

მასალის ნაწილაკების ზომის განაწილება გაანალიზდა ნაწილაკების ზომის ტესტერის გამოყენებით (Mastersizer 2000 ვერსია, დამზადებულია დიდ ბრიტანეთში). თითოეულ საფეხურზე მიღებული ფხვნილები შემოწმდა სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპით (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 გამოიყენეს მოდელის CR2032 ღილაკის ნახევარუჯრედის დასამზადებლად, ხოლო სილიციუმ-ნახშირბადის მასის თანაფარდობა: SP: CNT: CMC: SBR იყო 92:2:2:1.5:2.5. კონტრ-ელექტროდი არის ლითონის ლითიუმის ფურცელი, ელექტროლიტი არის კომერციული ელექტროლიტი (მოდელი 1901, დამზადებულია კორეაში), გამოიყენება Celgard 2320 დიაფრაგმა, დამუხტვისა და გამონადენის ძაბვის დიაპაზონი არის 0,005-1,5 V, დატენვის და გამონადენის დენი 0,1 C. (1C = 1A), ხოლო გამონადენის გამორთვის დენი არის 0,05 C.

სილიკონ-ნახშირბადის კომპოზიტური მასალების მუშაობის შემდგომი გამოკვლევის მიზნით, დამზადდა ლამინირებული პატარა რბილი ბატარეა 408595. დადებითი ელექტროდი იყენებს NCM811 (დამზადებულია ჰუნანში, ბატარეის ხარისხი), ხოლო უარყოფითი ელექტროდის გრაფიტი დოპირებულია 8% სილიკონ-ნახშირბადის მასალით. დადებითი ელექტროდის ნადუღის ფორმულა არის 96% NCM811, 1.2% პოლივინილიდენ ფტორიდი (PVDF), 2% გამტარი აგენტი SP, 0.8% CNT და NMP გამოიყენება როგორც დისპერსანტი; უარყოფითი ელექტროდის ხსნარის ფორმულა არის 96% კომპოზიტური უარყოფითი ელექტროდის მასალა, 1.3% CMC, 1.5% SBR 1.2% CNT და წყალი გამოიყენება როგორც დისპერსანტი. მორევის, დაფარვის, გადახვევის, ჭრის, ლამინირების, ჩანართებით შედუღების, შეფუთვის, გამოცხობის, სითხის ინექციის, ფორმირებისა და სიმძლავრის გაყოფის შემდეგ, მომზადდა 408595 ლამინირებული პატარა რბილი პაკეტის ბატარეა ნომინალური ტევადობით 3 Ah. შემოწმდა 0.2C, 0.5C, 1C, 2C და 3C სიჩქარის შესრულება და 0.5C დამუხტვისა და 1C გამონადენის ციკლის შესრულება. დამუხტვისა და გამონადენის ძაბვის დიაპაზონი იყო 2,8-4,2 ვ, მუდმივი დენი და მუდმივი ძაბვის დამუხტვა, ხოლო გამორთვის დენი იყო 0,5C.

2 შედეგები და დისკუსია

საწყისი სილიციუმის ფხვნილი დაფიქსირდა სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპით (SEM). სილიციუმის ფხვნილი იყო არარეგულარული მარცვლოვანი ნაწილაკების ზომით 2μm-ზე ნაკლები, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 1(a). ბურთის დაფქვის შემდეგ, სილიციუმის ფხვნილის ზომა მნიშვნელოვნად შემცირდა დაახლოებით 100 ნმ-მდე [სურათი 1(ბ)]. ნაწილაკების ზომის ტესტმა აჩვენა, რომ ბურთის დაფქვის შემდეგ სილიციუმის ფხვნილის D50 იყო 110 ნმ, ხოლო D90 175 ნმ. ბურთის დაფქვის შემდეგ სილიციუმის ფხვნილის მორფოლოგიის საგულდაგულო ​​გამოკვლევა გვიჩვენებს ფანტელ სტრუქტურას (ფენოვანი სტრუქტურის წარმოქმნა შემდგომში გადამოწმდება ჯვარედინი სექციიდან SEM). ამიტომ, ნაწილაკების ზომის ტესტიდან მიღებული D90 მონაცემები უნდა იყოს ნანოფურცლის სიგრძის განზომილება. SEM-ის შედეგებთან ერთად, შეიძლება ვიმსჯელოთ, რომ მიღებული ნანოფურცლის ზომა უფრო მცირეა, ვიდრე კრიტიკული მნიშვნელობა 150 ნმ სილიკონის ფხვნილის მსხვრევის დროს დატენვისა და განმუხტვის დროს მინიმუმ ერთ განზომილებაში. ქერცლიანი მორფოლოგიის ფორმირება ძირითადად განპირობებულია კრისტალური სილიციუმის კრისტალური სიბრტყეების განსხვავებული დისოციაციის ენერგიებით, რომელთა შორის სილიციუმის {111} სიბრტყეს აქვს დისოციაციის უფრო დაბალი ენერგია ვიდრე {100} და {110} ბროლის სიბრტყეები. ამიტომ, ეს ბროლის სიბრტყე უფრო ადვილად თხელდება ბურთის დაფქვით და საბოლოოდ ქმნის ქერცლიან სტრუქტურას. ქერცლიანი სტრუქტურა ხელს უწყობს ფხვიერი სტრუქტურების დაგროვებას, იტოვებს ადგილს სილიკონის მოცულობის გაფართოებისთვის და აუმჯობესებს მასალის სტაბილურობას.

ნანო-სილიციუმის, CNT-ისა და გრაფიტის შემცველი ხსნარი დაასხურეს, ხოლო ფხვნილი შესხურებამდე და მის შემდეგ გამოიკვლიეს SEM-ით. შედეგები ნაჩვენებია სურათზე 2. შესხურებამდე დამატებული გრაფიტის მატრიცა არის ტიპიური ფანტელი სტრუქტურა ზომით 5-დან 20 მკმ-მდე [სურათი 2(a)]. გრაფიტის ნაწილაკების ზომის განაწილების ტესტი აჩვენებს, რომ D50 არის 15μm. შესხურების შემდეგ მიღებულ ფხვნილს აქვს სფერული მორფოლოგია [სურათი 2(ბ)] და ჩანს, რომ შესხურების შემდეგ გრაფიტი დაფარულია საფარის ფენით. ფხვნილის D50 შესხურების შემდეგ არის 26,2 მკმ. მეორადი ნაწილაკების მორფოლოგიური მახასიათებლები დაფიქსირდა SEM-ით, რაც აჩვენებს ნანომასალებით დაგროვილი ფხვიერი ფოროვანი სტრუქტურის მახასიათებლებს [სურათი 2(c)]. ფოროვანი სტრუქტურა შედგება სილიციუმის ნანოფურცლებისა და ერთმანეთთან გადახლართული CNT-ებისგან [სურათი 2(დ)], ხოლო ტესტის სპეციფიკური ზედაპირის ფართობი (BET) არის 53,3 მ2/გ. ამიტომ, შესხურების შემდეგ, სილიკონის ნანოფურცლები და CNT-ები იკრიბებიან და წარმოქმნიან ფოროვან სტრუქტურას.

ფოროვანი ფენა დამუშავდა თხევადი ნახშირბადის საფარით, ხოლო ნახშირბადის საფარის წინამორბედის სიმაღლის და კარბონიზაციის დამატების შემდეგ ჩატარდა SEM დაკვირვება. შედეგები ნაჩვენებია სურათზე 3. ნახშირბადის წინასწარი დაფარვის შემდეგ, მეორადი ნაწილაკების ზედაპირი ხდება გლუვი, აშკარა დაფარვის ფენით და საფარი დასრულებულია, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 3(a) და (b). კარბონიზაციის შემდეგ, ზედაპირის საფარის ფენა ინარჩუნებს დაფარვის კარგ მდგომარეობას [სურათი 3(c)]. გარდა ამისა, ჯვარედინი SEM სურათზე ნაჩვენებია ზოლის ფორმის ნანონაწილაკები [სურათი 3(დ)], რომლებიც შეესაბამება ნანოფურცლების მორფოლოგიურ მახასიათებლებს, რაც შემდგომ ამოწმებს სილიციუმის ნანოფურცლების წარმოქმნას ბურთის დაფქვის შემდეგ. გარდა ამისა, ნახაზი 3(დ) გვიჩვენებს, რომ ზოგიერთ ნანოფურცელს შორის არის შემავსებლები. ეს ძირითადად გამოწვეულია თხევადი ფაზის საფარის მეთოდის გამოყენებით. ასფალტის ხსნარი შეაღწევს მასალაში ისე, რომ შიდა სილიკონის ნანოფურცლების ზედაპირი მიიღებს ნახშირბადის საფარის დამცავ ფენას. ამრიგად, თხევადი ფაზის საფარის გამოყენებით, მეორადი ნაწილაკების საფარის ეფექტის მიღების გარდა, შეიძლება მიღებულ იქნას პირველადი ნაწილაკების საფარის ორმაგი ნახშირბადის საფარის ეფექტი. კარბონირებული ფხვნილი შემოწმდა BET-ით და ტესტის შედეგი იყო 22.3 მ2/გ.

კარბონიზებული ფხვნილი დაექვემდებარა ჯვარედინი ენერგეტიკული სპექტრის ანალიზს (EDS) და შედეგები ნაჩვენებია სურათზე 4(a). მიკრონის ზომის ბირთვი არის C კომპონენტი, რომელიც შეესაბამება გრაფიტის მატრიცას, ხოლო გარე საფარი შეიცავს სილიციუმს და ჟანგბადს. სილიციუმის სტრუქტურის შემდგომი გამოსაკვლევად ჩატარდა რენტგენის დიფრაქციის (XRD) ტესტი და შედეგები ნაჩვენებია სურათზე 4(ბ). მასალა ძირითადად შედგება გრაფიტისა და ერთკრისტალური სილიკონისგან, სილიციუმის ოქსიდის აშკარა მახასიათებლების გარეშე, რაც მიუთითებს იმაზე, რომ ენერგეტიკული სპექტრის ტესტის ჟანგბადის კომპონენტი ძირითადად სილიციუმის ზედაპირის ბუნებრივი დაჟანგვისგან მოდის. სილიციუმ-ნახშირბადის კომპოზიტური მასალა ჩაწერილია როგორც S1.

მომზადებული სილიციუმ-ნახშირბადის მასალა S1 დაექვემდებარა ღილაკის ტიპის ნახევარუჯრედოვანი წარმოებისა და დამუხტვის ტესტებს. პირველი დატენვა-განმუხტვის მრუდი ნაჩვენებია სურათზე 5. შექცევადი სპეციფიური სიმძლავრე არის 1000.8 mAh/g და პირველი ციკლის ეფექტურობა არის 93.9%, რაც უფრო მაღალია, ვიდრე სილიკონზე დაფუძნებული მასალების უმრავლესობის პირველ ეფექტურობაზე წინასწარი გამოყენების გარეშე. ლითიაცია მოხსენებულია ლიტერატურაში. მაღალი პირველი ეფექტურობა მიუთითებს, რომ მომზადებულ სილიკონ-ნახშირბადის კომპოზიტურ მასალას აქვს მაღალი სტაბილურობა. ფოროვანი სტრუქტურის, გამტარი ქსელის და ნახშირბადის საფარის სილიციუმ-ნახშირბადის მასალების სტაბილურობაზე ზემოქმედების შესამოწმებლად, მომზადდა ორი ტიპის სილიკონ-ნახშირბადის მასალა CNT-ის დამატების გარეშე და პირველადი ნახშირბადის საფარის გარეშე.

სილიციუმ-ნახშირბადის კომპოზიტური მასალის კარბონირებული ფხვნილის მორფოლოგია CNT-ის დამატების გარეშე ნაჩვენებია ნახაზზე 6. თხევადი ფაზის საფარისა და კარბონიზაციის შემდეგ, მეორადი ნაწილაკების ზედაპირზე ნათლად ჩანს საფარი ფენა 6(a)-ში. კარბონირებული მასალის განივი SEM ნაჩვენებია სურათზე 6(ბ). სილიკონის ნანოფურცლების დაწყობას აქვს ფოროვანი მახასიათებლები და BET ტესტი არის 16,6 მ2/გ. თუმცა, CNT-თან შედარებით [როგორც ნაჩვენებია 3(დ) სურათზე, მისი კარბონირებული ფხვნილის BET ტესტი არის 22.3 მ2/გ], ნანო-სილიციუმის დაწყობის შიდა სიმკვრივე უფრო მაღალია, რაც მიუთითებს იმაზე, რომ CNT-ის დამატებამ შეიძლება ხელი შეუწყოს ფოროვანი სტრუქტურის ფორმირება. გარდა ამისა, მასალას არ გააჩნია სამგანზომილებიანი გამტარი ქსელი, რომელიც აგებულია CNT-ის მიერ. სილიციუმ-ნახშირბადის კომპოზიტური მასალა ჩაწერილია როგორც S2.

მყარი ფაზის ნახშირბადის საფარით მომზადებული სილიციუმ-ნახშირბადის კომპოზიტური მასალის მორფოლოგიური მახასიათებლები ნაჩვენებია ნახაზში 7. კარბონიზაციის შემდეგ ზედაპირზე აშკარად ჩანს საფარის ფენა, როგორც ეს ნაჩვენებია სურათზე 7(a). ნახაზი 7(ბ) გვიჩვენებს, რომ განივი მონაკვეთში არის ზოლის ფორმის ნანონაწილაკები, რაც შეესაბამება ნანოფურცლების მორფოლოგიურ მახასიათებლებს. ნანოფურცლების დაგროვება ქმნის ფოროვან სტრუქტურას. შიდა ნანოფურცლების ზედაპირზე არ არის აშკარა შემავსებელი, რაც მიუთითებს იმაზე, რომ მყარი ფაზის ნახშირბადის საფარი მხოლოდ ფოროვანი სტრუქტურის მქონე ნახშირბადის საფარის ფენას ქმნის და არ არსებობს სილიკონის ნანოფურცლების შიდა საფარი. ეს სილიკონ-ნახშირბადის კომპოზიტური მასალა ჩაწერილია როგორც S3.

ღილაკის ტიპის ნახევარუჯრედიანი დამუხტვისა და განმუხტვის ტესტი ჩატარდა S2 და S3-ზე. S2-ის სპეციფიკური სიმძლავრე და პირველი ეფექტურობა იყო 1120.2 mAh/g და 84.8%, ხოლო S3-ის სპეციფიკური სიმძლავრე და პირველი ეფექტურობა იყო 882.5 mAh/g და 82.9%, შესაბამისად. მყარი ფაზა დაფარული S3 ნიმუშის სპეციფიკური სიმძლავრე და პირველი ეფექტურობა იყო ყველაზე დაბალი, რაც მიუთითებს იმაზე, რომ შესრულდა მხოლოდ ფოროვანი სტრუქტურის ნახშირბადის საფარი, ხოლო შიდა სილიკონის ნანოფურცლების ნახშირბადის საფარი არ იყო შესრულებული, რაც ვერ აძლევდა სრულ თამაშს. სილიკონზე დაფუძნებული მასალის სპეციფიკურ შესაძლებლობებს და ვერ იცავდა სილიკონზე დაფუძნებული მასალის ზედაპირს. S2 ნიმუშის პირველი ეფექტურობა CNT-ის გარეშე ასევე დაბალი იყო, ვიდრე CNT-ის შემცველი სილიციუმ-ნახშირბადის კომპოზიციური მასალისა, რაც მიუთითებს იმაზე, რომ კარგი საფარის ფენის საფუძველზე გამტარი ქსელი და ფოროვანი სტრუქტურის უფრო მაღალი ხარისხი ხელს უწყობს გაუმჯობესებას. სილიკონ-ნახშირბადის მასალის დამუხტვისა და განმუხტვის ეფექტურობის შესახებ.

S1 სილიკონ-ნახშირბადის მასალა გამოიყენებოდა პატარა რბილი პაკეტის სრული ბატარეის დასამზადებლად, რათა შეესწავლა სიჩქარის შესრულება და ციკლის შესრულება. გამონადენის სიჩქარის მრუდი ნაჩვენებია სურათზე 8(a). გამონადენის სიმძლავრეები 0.2C, 0.5C, 1C, 2C და 3C არის 2.970, 2.999, 2.920, 2.176 და 1.021 Ah, შესაბამისად. 1C გამონადენის სიჩქარე 98,3%-მდეა, მაგრამ 2C გამონადენის სიჩქარე მცირდება 73,3%-მდე, ხოლო 3C გამონადენი მცირდება 34,4%-მდე. სილიკონის უარყოფითი ელექტროდების გაცვლის ჯგუფში გასაწევრიანებლად, გთხოვთ, დაამატოთ WeChat: shimobang. დატენვის სიჩქარის მიხედვით, 0.2C, 0.5C, 1C, 2C და 3C დამუხტვის სიმძლავრეებია, შესაბამისად, 3.186, 3.182, 3.081, 2.686 და 2.289 Ah. 1C დატენვის სიჩქარეა 96.7%, ხოლო 2C დატენვის მაჩვენებელი მაინც აღწევს 84.3%. თუმცა, სურათზე 8(ბ) დატენვის მრუდის დაკვირვებით, 2C დამტენი პლატფორმა მნიშვნელოვნად აღემატება 1C დამტენის პლატფორმას და მისი მუდმივი ძაბვის დამუხტვის სიმძლავრე ყველაზე მეტად (55%) არის, რაც მიუთითებს იმაზე, რომ 2C დატენვის ბატარეის პოლარიზაცია არის უკვე ძალიან დიდი. სილიციუმ-ნახშირბადის მასალას აქვს კარგი დატენვის და განმუხტვის შესრულება 1C ტემპერატურაზე, მაგრამ მასალის სტრუქტურული მახასიათებლები კიდევ უფრო უნდა გაუმჯობესდეს, რომ მიაღწიოს უფრო მაღალი სიჩქარის შესრულებას. როგორც მე-9 სურათზეა ნაჩვენები, 450 ციკლის შემდეგ, სიმძლავრის შენარჩუნების მაჩვენებელი 78%-ია, რაც აჩვენებს ციკლის კარგ შესრულებას.

ელექტროდის ზედაპირის მდგომარეობა ციკლის დაწყებამდე და მის შემდეგ გამოიკვლია SEM-ის მიერ და შედეგები ნაჩვენებია სურათზე 10. ციკლის დაწყებამდე გრაფიტისა და სილიკონ-ნახშირბადის მასალების ზედაპირი ნათელია [სურათი 10(a)]; ციკლის შემდეგ, ზედაპირზე აშკარად წარმოიქმნება საფარის ფენა [სურათი 10(ბ)], რომელიც არის სქელი SEI ფილმი. SEI ფირის უხეშობა აქტიური ლითიუმის მოხმარება მაღალია, რაც არ უწყობს ხელს ციკლის შესრულებას. ამიტომ, გლუვი SEI ფილმის ფორმირების ხელშეწყობამ (როგორიცაა ხელოვნური SEI ფირის კონსტრუქცია, შესაბამისი ელექტროლიტური დანამატების დამატება და ა.შ.) შეიძლება გააუმჯობესოს ციკლის შესრულება. ციკლის შემდეგ სილიციუმ-ნახშირბადის ნაწილაკებზე ჯვარედინი SEM დაკვირვება [სურათი 10(c)] აჩვენებს, რომ თავდაპირველი ზოლის ფორმის სილიციუმის ნანონაწილაკები უფრო უხეში გახდა და ფოროვანი სტრუქტურა ძირითადად აღმოიფხვრა. ეს ძირითადად განპირობებულია სილიკონ-ნახშირბადის მასალის უწყვეტი მოცულობის გაფართოებითა და შეკუმშვით ციკლის განმავლობაში. აქედან გამომდინარე, ფოროვანი სტრუქტურა საჭიროებს შემდგომ გაძლიერებას, რათა უზრუნველყოს საკმარისი ბუფერული სივრცე სილიკონზე დაფუძნებული მასალის მოცულობის გაფართოებისთვის.

3 დასკვნა

სილიკონზე დაფუძნებული ნეგატიური ელექტროდის მასალების მოცულობის გაფართოების, ცუდი გამტარობისა და ცუდი ინტერფეისის სტაბილურობის საფუძველზე, ეს ნაშრომი ახდენს მიზანმიმართულ გაუმჯობესებას, სილიციუმის ნანოფურცლების მორფოლოგიური ფორმირების, ფოროვანი სტრუქტურის კონსტრუქციის, გამტარი ქსელის კონსტრუქციისა და მთელი მეორადი ნაწილაკების სრული ნახშირბადის საფარისგან. , მთლიანობაში სილიკონზე დაფუძნებული უარყოფითი ელექტროდის მასალების სტაბილურობის გასაუმჯობესებლად. სილიციუმის ნანოფურცლების დაგროვებამ შეიძლება შექმნას ფოროვანი სტრუქტურა. CNT-ის დანერგვა კიდევ უფრო შეუწყობს ხელს ფოროვანი სტრუქტურის ფორმირებას. თხევადი ფაზის საფარით მომზადებულ სილიციუმ-ნახშირბადის კომპოზიტურ მასალას აქვს ორმაგი ნახშირბადის საფარის ეფექტი, ვიდრე მყარი ფაზის საფარით მომზადებული და ავლენს უფრო მაღალ სპეციფიკურ სიმძლავრეს და პირველ ეფექტურობას. გარდა ამისა, სილიციუმ-ნახშირბადის კომპოზიციური მასალის პირველი ეფექტურობა, რომელიც შეიცავს CNT-ს, უფრო მაღალია, ვიდრე CNT-ის გარეშე, რაც ძირითადად განპირობებულია ფოროვანი სტრუქტურის უფრო მაღალი ხარისხით, შეამსუბუქოს სილიკონზე დაფუძნებული მასალების მოცულობითი გაფართოება. CNT-ის დანერგვა ააშენებს სამგანზომილებიან გამტარ ქსელს, გააუმჯობესებს სილიკონზე დაფუძნებული მასალების გამტარობას და აჩვენებს კარგი სიჩქარის შესრულებას 1C ტემპერატურაზე; და მასალა აჩვენებს კარგ ციკლის შესრულებას. თუმცა, მასალის ფოროვანი სტრუქტურა კიდევ უფრო უნდა გაძლიერდეს, რათა უზრუნველყოს საკმარისი ბუფერული სივრცე სილიციუმის მოცულობის გაფართოებისთვის და ხელი შეუწყოს გლუვი წარმოქმნას.და მკვრივი SEI ფილმი სილიციუმ-ნახშირბადის კომპოზიტური მასალის ციკლის შემდგომი გასაუმჯობესებლად.

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

მოგესალმებით ნებისმიერ მომხმარებელს მთელი მსოფლიოდან, რომ გვეწვიონ შემდგომი დისკუსიისთვის!

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