Batré litium-ion utamana ngembang dina arah dénsitas énergi anu luhur. Dina suhu kamar, basis silikon bahan éléktroda négatip alloy kalawan litium ngahasilkeun produk-euyeub litium fase Li3.75Si, kalawan kapasitas husus nepi ka 3572 mah / g, nu loba nu leuwih luhur ti kapasitas spésifik teoritis grafit éléktroda négatip 372 mAh/g. Sanajan kitu, dina mangsa ngecas terus-terusan sarta prosés discharging bahan éléktroda négatip basis silikon, transformasi fase Si jeung Li3.75Si bisa ngahasilkeun ékspansi volume badag (ngeunaan 300%), nu bakal ngakibatkeun powdering struktural bahan éléktroda jeung formasi kontinyu tina pilem SEI, sarta pamustunganana ngabalukarkeun kapasitas turun gancang. Industri utamana ngaronjatkeun kinerja bahan éléktroda négatip basis silikon jeung stabilitas accu basis silikon ngaliwatan nano-sizing, palapis karbon, formasi pori sarta téknologi lianna.
Bahan karbon gaduh konduktivitas anu saé, béaya rendah, sareng sumber anu lega. Éta tiasa ningkatkeun konduktivitas sareng stabilitas permukaan bahan dumasar-silikon. Aranjeunna preferentially dipaké salaku aditif pamutahiran kinerja pikeun éléktroda négatip basis silikon. Bahan silikon-karbon mangrupikeun arah pangembangan mainstream éléktroda négatip dumasar-silikon. Palapis karbon tiasa ningkatkeun stabilitas permukaan bahan dumasar-silikon, tapi kamampuan pikeun ngahambat ékspansi volume silikon sacara umum sareng henteu tiasa ngabéréskeun masalah ékspansi volume silikon. Ku alatan éta, dina raraga ngaronjatkeun stabilitas bahan basis silikon, struktur porous perlu diwangun. Penggilingan bola mangrupikeun metode industri pikeun nyiapkeun bahan nano. aditif béda atawa komponén bahan bisa ditambahkeun kana slurry diala ku ball panggilingan nurutkeun sarat desain bahan komposit. slurry ieu merata dispersed ngaliwatan rupa slurries jeung semprot-garing. Salila prosés drying sakedapan, nanopartikel sareng komponenana sejenna dina slurry bakal spontaneously ngabentuk ciri struktur porous. Makalah ieu ngagunakeun industri panggilingan bola sareng ramah lingkungan sareng téknologi pengering semprot pikeun nyiapkeun bahan dumasar silikon porous.
Kinerja bahan dumasar silikon ogé tiasa ningkat ku ngatur morfologi sareng ciri distribusi bahan nano silikon. Ayeuna, bahan dumasar silikon jeung rupa-rupa morfologi jeung ciri distribusi geus disiapkeun, kayaning silikon nanorods, grafit porous study nanosilicon, nanosilicon disebarkeun di spheres karbon, silikon / graphene Asép Sunandar Sunarya struktur porous, jsb Dina skala sarua, dibandingkeun jeung nanopartikel. , nanosheets bisa hadé ngurangan masalah crushing disababkeun ku ékspansi volume, sarta bahan ngabogaan dénsitas compaction luhur. Tumpukan nanosheets anu henteu teratur ogé tiasa ngabentuk struktur porous. Pikeun gabung grup bursa éléktroda négatip silikon. Nyayogikeun rohangan panyangga pikeun ékspansi volume bahan silikon. Bubuka karbon nanotube (CNTs) teu ngan bisa ngaronjatkeun konduktivitas bahan, tapi ogé ngamajukeun formasi struktur porous bahan alatan ciri morfologis hiji-dimensi na. Henteu aya laporan ngeunaan struktur porous anu diwangun ku nanosheets silikon sareng CNT. makalah ieu adopts industri lumaku panggilingan bola, grinding na dispersi, semprot drying, karbon pre-palapis jeung métode calcination, sarta ngawanohkeun promoters porous dina prosés préparasi nyiapkeun bahan éléktroda négatip basis silikon porous dibentuk ku timer assembly of nanosheets silikon jeung CNTs. Prosés persiapanna basajan, ramah lingkungan, sareng teu aya limbah cair atanapi résidu runtah anu dihasilkeun. Aya seueur laporan literatur ngeunaan palapis karbon tina bahan dumasar silikon, tapi aya sababaraha diskusi anu jero ngeunaan pangaruh palapis. Tulisan ieu ngagunakeun aspal salaku sumber karbon pikeun nalungtik épék dua metode palapis karbon, palapis fase cair sareng palapis fase padet, dina pangaruh palapis sareng kinerja bahan éléktroda négatip dumasar silikon.
1 Ékspérimén
1.1 Nyiapkeun bahan
Nyiapkeun bahan komposit silikon-karbon porous utamana ngawengku lima léngkah: panggilingan bola, grinding jeung dispersi, drying semprot, karbon pre-palapis jeung carbonization. Kahiji, beuratna 500 g bubuk silikon awal (domestik, 99,99% purity), tambahkeun 2000 g isopropanol, sarta ngalakonan ball panggilingan baseuh dina speed panggilingan bola 2000 r / mnt salila 24 h pikeun ménta slurry silikon skala nano. slurry silikon diala ditransferkeun ka tank mindahkeun dispersi, sarta bahan ditambahkeun nurutkeun nisbah massa silikon: grafit (dihasilkeun di Shanghai, kelas batré): nanotube karbon (dihasilkeun di Tianjin, kelas batré): polyvinyl pyrrolidone (dihasilkeun di Tianjin, kelas analitik) = 40:60:1.5:2. Isopropanol dipaké pikeun nyaluyukeun eusi padet, sarta eusi padet dirancang janten 15%. Grinding sareng dispersi dilakukeun dina laju dispersi 3500 r / mnt salami 4 jam. Grup séjén slurries tanpa nambahkeun CNTs dibandingkeun, jeung bahan séjén anu sarua. slurry nu diala dispersed lajeng dialihkeun ka spray drying tank feeding, sarta spray drying dipigawé dina atmosfir ditangtayungan nitrogén, kalawan hawa inlet jeung outlet masing-masing 180 jeung 90 °C. Lajeng dua jenis palapis karbon dibandingkeun, palapis fase padet jeung palapis fase cair. Metoda palapis fase padet nyaéta: bubuk semprot-garing dicampurkeun jeung 20% bubuk aspal (dijieun di Korea, D50 nyaeta 5 μm), dicampurkeun dina mixer mékanis pikeun 10 mnt, sarta speed Pergaulan 2000 r / mnt pikeun ménta. bubuk pre-coated. Métode palapis fase cair nyaéta: bubuk semprot-garing ditambahkeun kana leyuran xylene (dijieun di Tianjin, kelas analitik) ngandung 20% aspal leyur dina bubuk dina eusi padet 55%, sarta vakum diaduk merata. Panggang dina oven vakum dina 85 ℃ pikeun 4h, nempatkeun kana mixer mékanis pikeun Pergaulan, speed Pergaulan nyaeta 2000 r / mnt, sarta waktu Pergaulan 10 mnt pikeun ménta bubuk pre-coated. Tungtungna, bubuk pre-coated ieu calcined dina kiln Rotary handapeun atmosfir nitrogén dina laju pemanasan 5 ° C / mnt. Ieu mimitina diteundeun dina suhu konstan 550 ° C salila 2h, lajeng terus panas nepi ka 800 ° C sarta diteundeun dina suhu konstan pikeun 2h, lajeng sacara alami tiis nepi ka handap 100 ° C tur discharged pikeun ménta silikon-karbon. bahan komposit.
1.2 Métode pencirian
Distribusi ukuran partikel tina bahan dianalisis ngagunakeun ukuran partikel tester (versi Masterizer 2000, dijieun di Inggris). Serbuk anu dicandak dina unggal léngkah diuji ku scanning mikroskop éléktron (Regulus8220, buatan Jepang) pikeun nguji morfologi sareng ukuran bubuk. Struktur fase bahan dianalisis nganggo analisa difraksi bubuk sinar-X (D8 ADVANCE, buatan Jerman), sareng komposisi unsur bahan dianalisis nganggo analisa spéktrum énergi. Bahan komposit silikon-karbon anu diala ieu dipaké pikeun nyieun hiji tombol satengah-sél model CR2032, sarta rasio massa silikon-karbon: SP: CNT: CMC: SBR éta 92:2:2:1.5:2.5. Éléktroda counter nyaéta lambaran litium logam, éléktrolit mangrupikeun éléktrolit komérsial (model 1901, buatan Korea), diafragma Celgard 2320 dianggo, rentang tegangan muatan sareng discharge nyaéta 0,005-1,5 V, muatan sareng arus discharge nyaéta 0,1 C (1C = 1A), sarta arus cut-off ngurangan nyaéta 0,05 C.
Dina raraga leuwih nalungtik kinerja bahan silikon-karbon komposit, laminated leutik batré-pak lemes 408595 dijieun. Éléktroda positip nganggo NCM811 (dijieun di Hunan, kelas batré), sareng grafit éléktroda négatip didoping nganggo bahan silikon-karbon 8%. Rumus slurry éléktroda positif nyaéta 96% NCM811, 1,2% polyvinylidene fluoride (PVDF), 2% conductive agén SP, 0,8% CNT, sarta NMP dipaké salaku dispersant a; rumus slurry éléktroda négatip nyaéta 96% bahan éléktroda négatip komposit, 1,3% CMC, 1,5% SBR 1,2% CNT, sarta cai dipaké salaku dispersant a. Saatos aduk, palapis, rolling, motong, lamination, las tab, bungkusan, baking, suntik cair, formasi jeung division kapasitas, 408595 laminated batré pak lemes leutik kalawan kapasitas dipeunteun 3 Ah disiapkeun. Kinerja laju 0.2C, 0.5C, 1C, 2C jeung 3C jeung kinerja siklus muatan 0.5C jeung ngurangan 1C diuji. Rentang tegangan muatan jeung ngurangan éta 2.8-4.2 V, arus konstan jeung tegangan konstan ngecas, sarta cut-off ayeuna éta 0.5C.
2 Hasil jeung Sawala
Bubuk silikon awal dititénan ku scanning electron microscopy (SEM). Bubuk silikon éta granular irregularly kalawan ukuran partikel kirang ti 2μm, ditémbongkeun saperti dina Gambar 1 (a). Saatos panggilingan bola, ukuran bubuk silikon sacara signifikan diréduksi jadi kira-kira 100 nm [Gambar 1(b)]. Uji ukuran partikel nunjukkeun yén D50 bubuk silikon saatos ngagiling bola nyaéta 110 nm sareng D90 nyaéta 175 nm. A ujian ati tina morfologi bubuk silikon sanggeus ball panggilingan nembongkeun struktur flaky (formasi struktur flaky bakal salajengna diverifikasi tina cross-sectional SEM engké). Ku alatan éta, data D90 dicandak tina uji ukuran partikel kedah diménsi panjang nanosheet. Digabungkeun jeung hasil SEM, bisa judged yén ukuran nanosheet diala leuwih leutik batan nilai kritis 150 nm tina pegatna bubuk silikon salila ngecas na discharging dina sahanteuna hiji diménsi. Kabentukna morfologi flaky utamana alatan énergi disosiasi béda tina pesawat kristal silikon kristalin, diantarana pesawat {111} silikon boga énergi disosiasi leuwih handap tina {100} jeung {110} pesawat kristal. Ku alatan éta, pesawat kristal ieu leuwih gampang thinned ku ball panggilingan, sarta tungtungna ngabentuk struktur flaky. Struktur flaky kondusif pikeun akumulasi struktur leupas, cadangan spasi pikeun perluasan volume silikon, sarta ngaronjatkeun stabilitas bahan.
Slurry anu ngandung nano-silikon, CNT sareng grafit disemprot, sareng bubuk sateuacan sareng saatos nyemprot ditaliti ku SEM. Hasilna ditémbongkeun dina Gambar 2. Matriks grafit ditambahkeun saméméh nyemprot nyaéta struktur flake has kalayan ukuran 5 nepi ka 20 μm [Gambar 2 (a)]. Uji distribusi ukuran partikel grafit nunjukkeun yén D50 nyaéta 15μm. Bubuk diala sanggeus nyemprot ngabogaan morfologi buleud [Gambar 2(b)], sarta eta bisa ditempo yén grafit nu coated ku lapisan palapis sanggeus nyemprot. The D50 bubuk sanggeus nyemprot nyaéta 26,2 μm. Ciri morfologis partikel sekundér dititénan ku SEM, némbongkeun ciri struktur porous leupas akumulasi ku nanomaterials [Gambar 2(c)]. Struktur porous diwangun ku nanosheets silikon sarta CNTs intertwined saling [Gambar 2(d)], sarta aréa permukaan husus test (BET) saluhur 53,3 m2 / g. Ku alatan éta, sanggeus nyemprot, silikon nanosheets na CNTs timer ngumpul pikeun ngabentuk struktur porous.
Lapisan porous dirawat kalayan palapis karbon cair, sareng saatos nambihan palapis karbon prékursor pitch sareng karbonisasi, observasi SEM dilaksanakeun. Hasilna ditémbongkeun dina Gambar 3. Saatos karbon pre-palapis, beungeut partikel sekundér jadi lemes, kalawan lapisan palapis atra, sarta palapis geus réngsé, ditémbongkeun saperti dina Gambar 3 (a) jeung (b). Saatos karbonisasi, lapisan palapis permukaan ngajaga kaayaan palapis anu saé [Gambar 3(c)]. Salaku tambahan, gambar SEM cross-sectional nembongkeun nanopartikel ngawangun strip [Gambar 3(d)], nu pakait jeung ciri morfologis nanosheets, salajengna verifying formasi nanosheets silikon sanggeus ball panggilingan. Salaku tambahan, Gambar 3 (d) nunjukkeun yén aya pangisi antara sababaraha lembar nano. Ieu utamana alatan pamakéan métode palapis fase cair. Solusi aspal bakal nembus kana bahan, ku kituna beungeut nanosheets silikon internal meunangkeun lapisan pelindung palapis karbon. Ku alatan éta, ku ngagunakeun palapis fase cair, sajaba ti meunangkeun éfék palapis partikel sekundér, pangaruh palapis karbon ganda tina palapis partikel primér ogé bisa diala. Bubuk karbonisasi diuji ku BET, sareng hasil tés 22,3 m2 / g.
bubuk carbonized ieu subjected kana cross-sectional analisis spéktrum énergi (EDS), sarta hasilna ditémbongkeun dina Gambar 4 (a). Inti ukuran mikron nyaéta komponén C, pakait sareng matriks grafit, sareng lapisan luarna ngandung silikon sareng oksigén. Pikeun leuwih nalungtik struktur silikon, hiji X-ray difraksi (XRD) test dipigawé, sarta hasilna ditémbongkeun dina Gambar 4(b). Bahanna utamana diwangun ku grafit sareng silikon kristal tunggal, tanpa ciri silikon oksida anu jelas, nunjukkeun yén komponén oksigén tina tés spéktrum énergi utamina asalna tina oksidasi alami permukaan silikon. Bahan komposit silikon-karbon kacatet salaku S1.
Bahan silikon-karbon S1 anu disiapkeun ieu subjected kana tombol-tipe satengah-sél produksi jeung tés muatan-discharge. Kurva muatan-ngurangan munggaran dipidangkeun dina Gambar 5. Kapasitas spésifik anu tiasa dibalikkeun nyaéta 1000,8 mAh / g, sareng efisiensi siklus kahiji saluhur 93,9%, anu langkung luhur tibatan efisiensi mimiti kalolobaan bahan dumasar silikon tanpa pre- lithiation dilaporkeun dina literatur. Efisiensi munggaran anu luhur nunjukkeun yén bahan komposit silikon-karbon anu disiapkeun ngagaduhan stabilitas anu luhur. Pikeun pariksa épék struktur porous, jaringan conductive sareng palapis karbon dina stabilitas bahan silikon-karbon, dua jinis bahan silikon-karbon disiapkeun tanpa nambihan CNT sareng tanpa palapis karbon primér.
Morfologi bubuk carbonized tina bahan komposit silikon-karbon tanpa nambahkeun CNT ditémbongkeun dina Gambar 6. Saatos palapis fase cair jeung carbonization, lapisan palapis bisa jelas katempo dina beungeut partikel sekundér dina Gambar 6 (a). SEM cross-sectional tina bahan carbonized ditémbongkeun dina Gambar 6(b). The stacking of silikon nanosheets boga ciri porous, sarta uji BET nyaeta 16,6 m2 / g. Sanajan kitu, dibandingkeun jeung kasus kalawan CNT [sakumaha ditémbongkeun dina Gambar 3 (d), test BET bubuk carbonized nyaeta 22,3 m2 / g], nano-silikon dénsitas stacking internal leuwih luhur, nunjukkeun yén tambahan CNT bisa ngamajukeun. formasi struktur porous. Sajaba ti éta, bahan teu boga jaringan conductive tilu diménsi diwangun ku CNT. Bahan komposit silikon-karbon kacatet salaku S2.
Ciri morfologis bahan komposit silikon-karbon disiapkeun ku palapis karbon fase padet ditémbongkeun dina Gambar 7. Saatos carbonization, aya hiji lapisan palapis atra dina beungeut cai, ditémbongkeun saperti dina Gambar 7 (a). Gambar 7(b) nunjukeun yen aya nanopartikel ngawangun strip dina bagian cross, nu pakait jeung ciri morfologis nanosheets. Akumulasi nanosheets ngabentuk struktur porous. Henteu aya pangisi anu jelas dina permukaan nanosheets internal, nunjukkeun yén palapis karbon fase padet ngan ukur ngabentuk lapisan palapis karbon kalayan struktur porous, sareng henteu aya lapisan palapis internal pikeun nanosheets silikon. Bahan komposit silikon-karbon ieu kacatet salaku S3.
Tes muatan satengah sél tipe-tombol sareng tés discharge dilaksanakeun dina S2 sareng S3. Kapasitas spésifik sareng efisiensi munggaran S2 nyaéta 1120,2 mAh / g sareng 84,8% masing-masing, sareng kapasitas spésifik sareng efisiensi munggaran S3 masing-masing 882,5 mAh / g sareng 82,9%. Kapasitas spésifik sareng efisiensi munggaran tina sampel S3 dilapis fase padet mangrupikeun panghandapna, nunjukkeun yén ngan ukur palapis karbon tina struktur porous anu dilakukeun, sareng palapis karbon tina nanosheets silikon internal henteu dilaksanakeun, anu henteu tiasa masihan muter pinuh. ka kapasitas husus tina bahan basis silikon sarta teu bisa ngajaga beungeut bahan basis silikon. Efisiensi mimiti sampel S2 tanpa CNT oge leuwih handap tina bahan komposit silikon-karbon ngandung CNT, nunjukkeun yén dina dasar lapisan palapis alus, jaringan conductive sarta tingkat luhur struktur porous anu kondusif pikeun perbaikan. tina efisiensi muatan jeung ngurangan tina bahan silikon-karbon.
Bahan silikon-karbon S1 ieu dipaké pikeun nyieun hiji batré pinuh-pak lemes leutik pikeun nalungtik kinerja laju sarta kinerja siklus. Kurva laju ngurangan ditémbongkeun dina Gambar 8(a). Kamampuh ngaleupaskeun 0.2C, 0.5C, 1C, 2C sareng 3C masing-masing 2.970, 2.999, 2.920, 2.176 sareng 1.021 Ah. Laju ngurangan 1C saluhureun 98,3%, tapi laju ngurangan 2C turun ka 73,3%, sareng tingkat ngurangan 3C turun deui ka 34,4%. Pikeun gabung grup bursa éléktroda négatip silikon, mangga tambahkeun WeChat: shimobang. Dina hal laju ngecas, kapasitas ngecas 0.2C, 0.5C, 1C, 2C sareng 3C masing-masing nyaéta 3.186, 3.182, 3.081, 2.686 sareng 2.289 Ah. Laju ngecas 1C nyaéta 96,7%, sareng tingkat ngecas 2C masih ngahontal 84,3%. Tapi, niténan kurva ngecas dina Gambar 8(b), platform ngecas 2C nyata leuwih badag batan platform ngecas 1C, sarta kapasitas ngecas tegangan konstan na akun pikeun paling (55%), nunjukkeun yén polarisasi batré rechargeable 2C nyaeta geus kacida gedéna. Bahan silikon-karbon boga kinerja ngecas na discharging alus dina 1C, tapi ciri struktural bahan perlu leuwih ningkat pikeun ngahontal kinerja laju luhur. Ditémbongkeun saperti dina Gambar 9, sanggeus 450 siklus, laju ingetan kapasitas 78%, némbongkeun kinerja siklus alus.
Kaayaan permukaan éléktroda saméméh jeung sanggeus siklus ieu ditalungtik ku SEM, sarta hasilna ditémbongkeun dina Gambar 10. Sateuacan siklus, beungeut bahan grafit jeung silikon-karbon jelas [Gambar 10 (a)]; sanggeus siklus nu, mangrupa lapisan palapis écés dihasilkeun dina beungeut cai [gambar 10 (b)], nu mangrupakeun pilem SEI kandel. SEI film roughnessKonsumsi litium aktif tinggi, nu teu kondusif pikeun kinerja siklus. Ku alatan éta, promosi formasi pilem SEI lemes (kayaning konstruksi pilem SEI jieunan, nambahkeun aditif éléktrolit cocog, jsb) bisa ngaronjatkeun kinerja siklus. Observasi SEM cross-sectional partikel silikon-karbon sanggeus siklus [Gambar 10(c)] nunjukeun yen nanopartikel silikon ngawangun strip aslina geus jadi kasar jeung struktur porous dasarna geus ngaleungitkeun. Ieu utamana alatan ékspansi volume kontinyu jeung kontraksi tina bahan silikon-karbon salila siklus nu. Ku alatan éta, struktur porous perlu salajengna ditingkatkeun nyadiakeun spasi panyangga cukup pikeun perluasan volume bahan dumasar-silikon.
3 Kacindekan
Dumasar kana ékspansi volume, konduktivitas goréng jeung stabilitas panganteur goréng bahan éléktroda négatip basis silikon, makalah ieu ngajadikeun perbaikan sasaran, ti morfologi shaping of silikon nanosheets, konstruksi struktur porous, konstruksi jaringan conductive sarta palapis karbon lengkep sakabéh partikel sekundér. , Pikeun ngaronjatkeun stabilitas bahan éléktroda négatip dumasar-silikon sakabéhna. Akumulasi nanosheets silikon tiasa ngabentuk struktur porous. Bubuka CNT salajengna bakal ngamajukeun formasi struktur porous. Bahan komposit silikon-karbon anu disiapkeun ku palapis fase cair ngagaduhan pangaruh palapis karbon ganda tibatan anu disiapkeun ku palapis fase padet, sareng nunjukkeun kapasitas spésifik anu langkung luhur sareng efisiensi munggaran. Sajaba ti éta, efisiensi mimiti bahan komposit silikon-karbon ngandung CNT leuwih luhur batan nu tanpa CNT, nu utamana alatan tingkat luhur kamampuh struktur porous pikeun alleviate ékspansi volume bahan basis silikon. Bubuka CNT bakal ngawangun jaringan conductive tilu diménsi, ngaronjatkeun konduktivitas bahan basis silikon, sarta nembongkeun kinerja laju alus dina 1C; jeung bahan nembongkeun kinerja siklus alus. Sanajan kitu, struktur porous bahan perlu salajengna strengthened nyadiakeun spasi panyangga cukup pikeun perluasan volume silikon, sarta ngamajukeun formasi a lemes.jeung pilem SEI padet jang meberkeun ngaronjatkeun kinerja siklus bahan komposit silikon-karbon.
Urang ogé nyadiakeun-purity tinggi grafit jeung silikon carbide produk, nu loba dipaké dina ngolah wafer kawas oksidasi, difusi, sarta annealing.
Wilujeng sumping palanggan ti sakumna dunya pikeun nganjang ka kami pikeun diskusi salajengna!
https://www.vet-china.com/
waktos pos: Nov-13-2024