Литијум-јонске батерије се углавном развијају у правцу велике густине енергије. На собној температури, материјали негативних електрода на бази силицијума легују са литијумом да би се произвео производ богат литијумом Ли3.75Си фазе, са специфичним капацитетом до 3572 мАх/г, што је много веће од теоретског специфичног капацитета графитне негативне електроде 372 мАх/г. Међутим, током поновљеног процеса пуњења и пражњења материјала негативних електрода на бази силицијума, фазна трансформација Си и Ли3.75Си може произвести огромну запреминску експанзију (око 300%), што ће довести до структурног прашкања материјала електрода и континуираног формирања СЕИ филма, и коначно доводе до брзог пада капацитета. Индустрија углавном побољшава перформансе материјала негативних електрода на бази силицијума и стабилност батерија на бази силицијума путем нано-димензионирања, угљеничног премаза, формирања пора и других технологија.
Угљенични материјали имају добру проводљивост, ниску цену и широке изворе. Они могу побољшати проводљивост и површинску стабилност материјала на бази силицијума. Пожељно се користе као адитиви за побољшање перформанси за негативне електроде на бази силицијума. Силицијум-угљенични материјали су главни правац развоја негативних електрода на бази силицијума. Угљенични премаз може побољшати стабилност површине материјала на бази силицијума, али његова способност да инхибира проширење запремине силицијума је општа и не може да реши проблем проширења запремине силицијума. Стога, да би се побољшала стабилност материјала на бази силицијума, потребно је конструисати порозне структуре. Куглично млевење је индустријализована метода за припрему наноматеријала. Различити адитиви или компоненте материјала могу се додати у суспензију добијену млевењем куглица у складу са захтевима дизајна композитног материјала. Суспензија се равномерно распршује кроз различите суспензије и суши распршивањем. Током тренутног процеса сушења, наночестице и друге компоненте у суспензији ће спонтано формирати порозне структурне карактеристике. Овај рад користи индустријализовану и еколошки прихватљиву технологију кугличног млевења и сушења распршивањем за припрему порозних материјала на бази силицијума.
Перформансе материјала на бази силицијума такође се могу побољшати регулисањем морфологије и карактеристика дистрибуције силицијумских наноматеријала. Тренутно су припремљени материјали на бази силицијума са различитим морфологијама и карактеристикама дистрибуције, као што су силицијумске наношипке, наносилицијум уграђен у порозни графит, наносилицијум распоређен у угљеничним сферама, порозне структуре силицијум/графенског низа, итд. На истој скали, у поређењу са наночестицама , нано листови могу боље да потисну проблем дробљења изазваног проширењем запремине, а материјал има а већа густина сабијања. Неуређено слагање нанолистова такође може формирати порозну структуру. Да се придружи групи за размену негативних силицијумских електрода. Обезбедите тампон простор за проширење запремине силицијумских материјала. Увођење угљеничних наноцеви (ЦНТ) не само да може побољшати проводљивост материјала, већ и промовисати формирање порозних структура материјала због његових једнодимензионалних морфолошких карактеристика. Нема извештаја о порозним структурама конструисаним од силицијумских нанолимова и ЦНТ-а. Овај рад усваја индустријски применљиве кугличне млевење, млевење и дисперзију, сушење распршивањем, методе претходног премазања угљеником и калцинације, и уводи порозне промотере у процес припреме за припрему порозних материјала негативних електрода на бази силицијума формираних самосастављањем силицијумских нанолистова и ЦНТс. Процес припреме је једноставан, еколошки прихватљив и не ствара се отпадна течност или остаци отпада. Постоји много литературних извештаја о угљеничним превлакама материјала на бази силицијума, али постоји неколико детаљних дискусија о ефекту превлаке. Овај рад користи асфалт као извор угљеника за истраживање ефеката две методе наношења угљеника, премаза у течној фази и премаза у чврстој фази, на ефекат премаза и перформансе материјала негативних електрода на бази силицијума.
1 Експеримент
1.1 Припрема материјала
Припрема порозних силицијум-угљеничних композитних материјала углавном укључује пет корака: млевење куглицама, млевење и дисперзију, сушење распршивањем, претходно наношење угљеника и карбонизацију. Прво измерити 500 г иницијалног силицијумског праха (домаћег, 99,99% чистоће), додати 2000 г изопропанола и извршити млевење мокрим куглицама при брзини млевења кугле од 2000 р/мин током 24 х да би се добила силицијумска суспензија у нано размерама. Добијена силицијумска суспензија се преноси у резервоар за пренос дисперзије, а материјали се додају у односу на масени однос силицијум: графит (произведен у Шангају, класа батерија): угљеничне наноцеви (произведене у Тиањину, батерија): поливинил пиролидон (произведен у Тјенђину, аналитичка оцена) = 40:60:1,5:2. Изопропанол се користи за подешавање чврстог садржаја, а садржај чврсте супстанце је дизајниран да буде 15%. Млевење и дисперзија се врши при брзини дисперзије од 3500 о/мин у трајању од 4 х. Упоређује се друга група суспензија без додавања ЦНТ-а, а остали материјали су исти. Добијена дисперзована суспензија се затим преноси у резервоар за храњење сушењем распршивањем, а сушење распршивањем се изводи у атмосфери заштићеној азотом, са улазном и излазном температуром од 180, односно 90 °Ц. Затим су упоређене две врсте угљеничног премаза, премаз у чврстој фази и премаз у течној фази. Метода премаза у чврстој фази је: прах осушен распршивањем се меша са 20% асфалтног праха (произведен у Кореји, Д50 је 5 μм), меша се у механичком миксеру 10 мин, а брзина мешања је 2000 о/мин да се добије претходно премазани прах. Метода премазивања течном фазом је: прах осушен распршивањем се додаје у раствор ксилена (произведен у Тиањину, аналитички квалитет) који садржи 20% асфалта раствореног у праху са садржајем чврсте супстанце од 55%, и равномерно се меша у вакууму. Пећи у вакуум рерни на 85℃ 4х, ставити у механички миксер за мешање, брзина мешања је 2000 о/мин, а време мешања је 10 мин да се добије претходно обложен прах. На крају, претходно обложени прах је калцинисан у ротационој пећи у атмосфери азота при брзини загревања од 5°Ц/мин. Прво је држан на константној температури од 550°Ц током 2х, затим је настављен да се загрева до 800°Ц и држан на константној температури 2х, а затим природно охлађен на испод 100°Ц и испуштен да се добије силицијум-угљеник. композитни материјал.
1.2 Методе карактеризације
Расподела величине честица материјала је анализирана коришћењем тестера величине честица (Мастерсизер 2000 верзија, произведена у УК). Прахови добијени у сваком кораку су тестирани скенирајућим електронским микроскопом (Регулус8220, произведен у Јапану) да би се испитала морфологија и величина прахова. Фазна структура материјала је анализирана помоћу рендгенског дифракционог анализатора праха (Д8 АДВАНЦЕ, Немачка), а елементарни састав материјала анализиран је анализатором енергетског спектра. Од добијеног композитног материјала силицијум-угљеник је направљена полућелија дугмета модела ЦР2032, а масени однос силицијум-угљеник: СП: ЦНТ: ЦМЦ: СБР је био 92:2:2:1,5:2,5. Контраелектрода је метални литијумски лим, електролит је комерцијални електролит (модел 1901, произведен у Кореји), користи се Целгард 2320 дијафрагма, опсег напона пуњења и пражњења је 0,005-1,5 В, струја пуњења и пражњења је 0,1 Ц (1Ц = 1А), а струја прекида пражњења је 0,05 Ц.
У циљу даљег истраживања перформанси композитних материјала силицијум-угљеник, направљена је ламинирана мала мека батерија 408595. Позитивна електрода користи НЦМ811 (произведен у Хунану, батерија), а негативна електрода графит је допиран са 8% материјала силицијум-угљеник. Формула суспензије позитивне електроде је 96% НЦМ811, 1,2% поливинилиден флуорида (ПВДФ), 2% проводљивог средства СП, 0,8% ЦНТ, а НМП се користи као дисперзант; формула суспензије негативне електроде је 96% композитног материјала негативне електроде, 1,3% ЦМЦ, 1,5% СБР 1,2% ЦНТ, а вода се користи као дисперзант. Након мешања, премазивања, ваљања, сечења, ламинирања, заваривања језичака, паковања, печења, убризгавања течности, формирања и поделе капацитета, припремљено је 408595 ламинираних малих меких батерија номиналног капацитета 3 Ах. Тестиране су перформансе брзине од 0,2Ц, 0,5Ц, 1Ц, 2Ц и 3Ц и перформансе циклуса пуњења од 0,5Ц и 1Ц пражњења. Опсег напона пуњења и пражњења био је 2,8-4,2 В, константна струја и пуњење константним напоном, а струја прекида је била 0,5Ц.
2 Резултати и дискусија
Почетни силицијумски прах је примећен скенирајућим електронским микроскопом (СЕМ). Силицијумски прах је био неправилно гранулиран са величином честица мањом од 2 μм, као што је приказано на слици 1 (а). Након млевења куглицама, величина силицијумског праха је значајно смањена на око 100 нм (Слика 1 (б)). Тест величине честица је показао да је Д50 силицијум праха након млевења куглицом био 110 нм, а Д90 био 175 нм. Пажљиво испитивање морфологије силицијумског праха након млевења куглицом показује љускаву структуру (формирање љускаве структуре ће бити даље верификовано из СЕМ попречног пресека касније). Према томе, Д90 подаци добијени тестом величине честица треба да буду димензија дужине нанолистова. У комбинацији са резултатима СЕМ, може се проценити да је величина добијеног нанолима мања од критичне вредности од 150 нм лома силицијумског праха током пуњења и пражњења у најмање једној димензији. Формирање љускасте морфологије је углавном због различитих енергија дисоцијације кристалних равни кристалног силицијума, међу којима раван {111} силицијума има нижу енергију дисоцијације од равни кристала {100} и {110}. Због тога се ова кристална раван лакше разређује кугличним млевењем и на крају формира љускаву структуру. Љускаста структура погодује акумулацији лабавих структура, резервише простор за запреминско ширење силицијума и побољшава стабилност материјала.
Суспензија која садржи нано-силицијум, ЦНТ и графит је распршена, а прах пре и после прскања је испитан СЕМ. Резултати су приказани на слици 2. Графитна матрица додата пре прскања је типична структура љуспица величине од 5 до 20 μм [Слика 2(а)]. Тест расподеле величине честица графита показује да је Д50 15μм. Прашак добијен након прскања има сферну морфологију [Слика 2(б)] и може се видети да је графит превучен слојем превлаке након прскања. Д50 праха након прскања је 26,2 μм. Морфолошке карактеристике секундарних честица су посматране помоћу СЕМ, показујући карактеристике лабаве порозне структуре акумулиране наноматеријалима [Слика 2(ц)]. Порозна структура се састоји од силицијумских нанолистова и ЦНТ-а који су међусобно испреплетени [Слика 2(д)], а специфична површина теста (БЕТ) је чак 53,3 м2/г. Стога, након прскања, силицијумски нанопластови и ЦНТ се сами састављају да би формирали порозну структуру.
Порозни слој је третиран течним угљеничним премазом, а након додавања прекурсорске смоле угљеничног премаза и карбонизације, спроведено је СЕМ посматрање. Резултати су приказани на слици 3. Након претходног наношења угљеника, површина секундарних честица постаје глатка, са очигледним слојем превлаке, а премаз је готов, као што је приказано на сликама 3(а) и (б). Након карбонизације, површински слој превлаке одржава добро стање премаза (Слика 3(ц)). Поред тога, СЕМ слика попречног пресека показује наночестице у облику траке [Слика 3 (д)], које одговарају морфолошким карактеристикама нанолистова, додатно потврђујући формирање силицијумских нанолистова након млевења куглицом. Поред тога, Слика 3 (д) показује да постоје пунила између неких нано листова. Ово је углавном због употребе методе премаза у течној фази. Асфалтни раствор ће продрети у материјал, тако да површина унутрашњих силицијумских нанолистова добија заштитни слој угљеничног премаза. Према томе, коришћењем превлаке течне фазе, поред добијања ефекта превлаке секундарних честица, може се добити и ефекат двоструког угљеничног премаза примарног премаза честица. Карбонизовани прах је тестиран БЕТ-ом, а резултат теста је био 22,3 м2/г.
Карбонизовани прах је подвргнут анализи енергетског спектра попречног пресека (ЕДС), а резултати су приказани на слици 4(а). Језгро микронске величине је Ц компонента, што одговара графитној матрици, а спољна облога садржи силицијум и кисеоник. Да би се даље истражила структура силицијума, урађен је тест дифракције рендгенских зрака (КСРД), а резултати су приказани на слици 4(б). Материјал се углавном састоји од графита и монокристалног силицијума, без очигледних карактеристика силицијум оксида, што указује да компонента кисеоника у тесту енергетског спектра углавном потиче од природне оксидације површине силицијума. Композитни материјал силицијум-угљеник је забележен као С1.
Припремљени силицијум-угљенични материјал С1 је подвргнут тестовима производње полу-ћелије типа дугмета и тестовима наелектрисања и пражњења. Прва крива пуњења-пражњења је приказана на слици 5. Реверзибилни специфични капацитет је 1000,8 мАх/г, а ефикасност првог циклуса је чак 93,9%, што је више од прве ефикасности већине материјала на бази силицијума без претходног литија о којој се говори у литератури. Висока прва ефикасност указује да припремљени композитни материјал силицијум-угљеник има високу стабилност. У циљу провере утицаја порозне структуре, проводне мреже и угљеничног премаза на стабилност силицијум-угљеникових материјала, припремљена су два типа силицијум-угљеничних материјала без додавања ЦНТ-а и без примарне угљеничне превлаке.
Морфологија карбонизованог праха композитног материјала силицијум-угљеник без додавања ЦНТ-а приказана је на слици 6. Након облагања течном фазом и карбонизације, слој превлаке се може јасно видети на површини секундарних честица на слици 6(а). СЕМ попречног пресека карбонизованог материјала приказан је на слици 6(б). Слагање силицијумских нанолистова има порозне карактеристике, а БЕТ тест је 16,6 м2/г. Међутим, у поређењу са случајем са ЦНТ-ом [као што је приказано на слици 3(д), БЕТ тест његовог карбонизованог праха је 22,3 м2/г], унутрашња густина слагања нано-силицијума је већа, што указује да додавање ЦНТ-а може унапредити формирање порозне структуре. Поред тога, материјал нема тродимензионалну проводну мрежу коју је конструисао ЦНТ. Композитни материјал силицијум-угљеник је забележен као С2.
Морфолошке карактеристике композитног материјала силицијум-угљеник припремљеног облагањем угљеником у чврстој фази приказане су на слици 7. Након карбонизације, на површини је видљив слој превлаке, као што је приказано на слици 7(а). Слика 7(б) показује да се у попречном пресеку налазе наночестице у облику траке, што одговара морфолошким карактеристикама нанолистова. Акумулација нанолистова формира порозну структуру. Нема очигледног пунила на површини унутрашњих нанолимова, што указује на то да угљенични премаз у чврстој фази формира само слој угљеничног премаза са порозном структуром, а нема унутрашњег слоја превлаке за силицијумске нанолистове. Овај композитни материјал силицијум-угљеник је забележен као С3.
Тест пуњења и пражњења полућелије типа дугмета спроведен је на С2 и С3. Специфични капацитет и прва ефикасност С2 били су 1120,2 мАх/г и 84,8%, респективно, а специфични капацитет и прва ефикасност С3 били су 882,5 мАх/г и 82,9%, респективно. Специфични капацитет и прва ефикасност узорка С3 обложеног чврстом фазом били су најнижи, што указује на то да је извршено само облагање угљеником порозне структуре, а да није извршено облагање угљеником унутрашњих силицијумских нанолистова, што није могло дати пуну игру. специфичном капацитету материјала на бази силицијума и није могао да заштити површину материјала на бази силицијума. Прва ефикасност узорка С2 без ЦНТ-а такође је била нижа него код композитног материјала силицијум-угљеник који садржи ЦНТ, што указује да на основу доброг слоја превлаке, проводна мрежа и виши степен порозне структуре доприносе побољшању ефикасности пуњења и пражњења силицијум-угљеничног материјала.
С1 силицијум-угљенични материјал је коришћен за прављење мале пуне батерије меког паковања да би се испитале перформансе брзине и перформансе циклуса. Крива брзине пражњења је приказана на слици 8(а). Капацитети пражњења 0,2Ц, 0,5Ц, 1Ц, 2Ц и 3Ц су 2,970, 2,999, 2,920, 2,176 и 1,021 Ах, респективно. Стопа пражњења 1Ц је чак 98,3%, али стопа пражњења 2Ц пада на 73,3%, а стопа пражњења 3Ц пада даље на 34,4%. Да бисте се придружили групи за размену негативних силицијумских електрода, додајте ВеЦхат: схимобанг. У погледу брзине пуњења, капацитети пуњења 0,2Ц, 0,5Ц, 1Ц, 2Ц и 3Ц су 3,186, 3,182, 3,081, 2,686 и 2,289 Ах, респективно. Стопа пуњења 1Ц је 96,7%, а стопа пуњења 2Ц и даље достиже 84,3%. Међутим, посматрајући криву пуњења на слици 8(б), 2Ц платформа за пуњење је знатно већа од платформе за пуњење 1Ц, а њен капацитет пуњења константног напона чини већину (55%), што указује да је поларизација 2Ц пуњиве батерије већ веома велика. Силицијум-угљенични материјал има добре перформансе пуњења и пражњења на 1Ц, али структурне карактеристике материјала треба даље побољшати да би се постигле веће перформансе. Као што је приказано на слици 9, након 450 циклуса, стопа задржавања капацитета је 78%, што показује добре перформансе циклуса.
Стање површине електроде пре и после циклуса је испитано СЕМ, а резултати су приказани на слици 10. Пре циклуса, површина графитних и силицијум-угљеникових материјала је чиста [Слика 10(а)]; након циклуса, слој премаза се очигледно ствара на површини (Слика 10(б)), што је дебео СЕИ филм. Храпавост СЕИ филма Активна потрошња литијума је велика, што не доприноси перформансама циклуса. Стога, промовисање формирања глатког СЕИ филма (као што је вештачка конструкција СЕИ филма, додавање одговарајућих адитива за електролит, итд.) може побољшати перформансе циклуса. СЕМ посматрање попречног пресека силицијум-угљеникових честица након циклуса [Слика 10(ц)] показује да су оригиналне силицијумске наночестице у облику траке постале грубље и да је порозна структура у основи елиминисана. Ово је углавном због континуираног ширења запремине и контракције материјала силицијум-угљеника током циклуса. Због тога, порозну структуру треба додатно побољшати како би се обезбедио довољан пуферски простор за проширење запремине материјала на бази силицијума.
3 Закључак
На основу проширења запремине, лоше проводљивости и лоше стабилности интерфејса материјала негативних електрода на бази силицијума, овај рад прави циљана побољшања, од морфолошког обликовања силицијумских нанолистова, конструкције порозне структуре, конструкције проводљиве мреже и комплетног карбонског премаза целих секундарних честица. , за побољшање стабилности материјала негативних електрода на бази силицијума у целини. Акумулација силицијумских нанолистова може формирати порозну структуру. Увођење ЦНТ-а ће даље промовисати формирање порозне структуре. Композитни материјал силицијум-угљеник припремљен премазивањем течном фазом има ефекат двоструког облагања угљеником него онај припремљен премазивањем чврсте фазе, и показује већи специфични капацитет и прву ефикасност. Поред тога, прва ефикасност силицијум-угљеника композитног материјала који садржи ЦНТ је већа од оне без ЦНТ-а, што је углавном због већег степена способности порозне структуре да ублажи експанзију запремине материјала на бази силицијума. Увођење ЦНТ-а ће изградити тродимензионалну проводну мрежу, побољшати проводљивост материјала на бази силицијума и показати добре перформансе брзине на 1Ц; а материјал показује добре перформансе циклуса. Међутим, порозну структуру материјала треба додатно ојачати како би се обезбедио довољан пуферски простор за запреминско ширење силицијума и промовисао формирање глаткеи густ СЕИ филм за даље побољшање перформанси циклуса композитног материјала силицијум-угљеник.
Такође испоручујемо производе од графита и силицијум карбида високе чистоће, који се широко користе у обради плочица као што су оксидација, дифузија и жарење.
Добродошли купцима из целог света да нас посете ради даље дискусије!
хттпс://ввв.вет-цхина.цом/
Време поста: 13.11.2024