การเตรียมและปรับปรุงประสิทธิภาพของวัสดุคอมโพสิตซิลิคอนคาร์บอนที่มีรูพรุน

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนกำลังพัฒนาไปในทิศทางที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูงเป็นหลัก ที่อุณหภูมิห้อง วัสดุอิเล็กโทรดลบที่ใช้ซิลิคอนจะผสมกับลิเธียมเพื่อผลิตเฟส Li3.75Si ผลิตภัณฑ์ที่อุดมด้วยลิเธียม โดยมีความจุเฉพาะสูงถึง 3572 mAh/g ซึ่งสูงกว่าความจุเฉพาะทางทฤษฎีของอิเล็กโทรดลบกราไฟท์ 372 มาก มิลลิแอมป์/กรัม อย่างไรก็ตาม ในระหว่างกระบวนการชาร์จและการคายประจุซ้ำของวัสดุอิเล็กโทรดเชิงลบที่ใช้ซิลิกอน การเปลี่ยนเฟสของ Si และ Li3.75Si สามารถสร้างการขยายตัวของปริมาตรมหาศาล (ประมาณ 300%) ซึ่งจะนำไปสู่การผงโครงสร้างของวัสดุอิเล็กโทรดและการก่อตัวของอย่างต่อเนื่อง ฟิล์ม SEI และสุดท้ายก็ทำให้กำลังการผลิตลดลงอย่างรวดเร็ว อุตสาหกรรมปรับปรุงประสิทธิภาพของวัสดุอิเล็กโทรดลบที่ใช้ซิลิกอนเป็นหลัก และความเสถียรของแบตเตอรี่ที่ใช้ซิลิกอน ผ่านการปรับขนาดนาโน การเคลือบคาร์บอน การสร้างรูพรุน และเทคโนโลยีอื่น ๆ

วัสดุคาร์บอนมีค่าการนำไฟฟ้าที่ดี ต้นทุนต่ำ และมีแหล่งกำเนิดกว้าง พวกเขาสามารถปรับปรุงการนำไฟฟ้าและความเสถียรของพื้นผิวของวัสดุที่ทำจากซิลิคอน นิยมใช้เป็นสารเติมแต่งเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพสำหรับอิเล็กโทรดลบที่มีซิลิคอนเป็นหลัก วัสดุซิลิคอนคาร์บอนเป็นทิศทางการพัฒนากระแสหลักของอิเล็กโทรดลบที่มีซิลิคอน การเคลือบคาร์บอนสามารถปรับปรุงความเสถียรของพื้นผิวของวัสดุที่ใช้ซิลิกอนได้ แต่ความสามารถในการยับยั้งการขยายตัวของปริมาตรของซิลิกอนนั้นเป็นเรื่องปกติและไม่สามารถแก้ปัญหาการขยายตัวของปริมาตรของซิลิกอนได้ ดังนั้น เพื่อที่จะปรับปรุงความเสถียรของวัสดุที่ใช้ซิลิกอน จึงจำเป็นต้องสร้างโครงสร้างที่มีรูพรุน การกัดลูกบอลเป็นวิธีการทางอุตสาหกรรมในการเตรียมวัสดุนาโน สามารถเติมสารเติมแต่งหรือส่วนประกอบวัสดุต่างๆ ลงในสารละลายที่ได้จากการกัดลูกบอลได้ตามความต้องการในการออกแบบของวัสดุคอมโพสิต สารละลายจะกระจายอย่างสม่ำเสมอผ่านสารละลายต่างๆ และพ่นแห้ง ในระหว่างกระบวนการทำให้แห้งทันที อนุภาคนาโนและส่วนประกอบอื่นๆ ในสารละลายจะก่อตัวเป็นลักษณะโครงสร้างที่มีรูพรุนตามธรรมชาติ กระดาษนี้ใช้เทคโนโลยีการกัดลูกบอลและการพ่นแห้งแบบพ่นฝอยในอุตสาหกรรมและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมเพื่อเตรียมวัสดุที่มีรูพรุนจากซิลิคอน

ประสิทธิภาพของวัสดุที่ใช้ซิลิกอนสามารถปรับปรุงได้โดยการควบคุมลักษณะทางสัณฐานวิทยาและการกระจายตัวของวัสดุนาโนซิลิกอน ปัจจุบัน มีการเตรียมวัสดุที่ใช้ซิลิกอนซึ่งมีสัณฐานวิทยาและลักษณะการกระจายที่หลากหลาย เช่น แท่งนาโนซิลิคอน กราไฟท์ที่มีรูพรุนฝังนาโนซิลิคอน นาโนซิลิกอนกระจายอยู่ในทรงกลมคาร์บอน โครงสร้างที่มีรูพรุนของอาร์เรย์ซิลิคอน/กราฟีน เป็นต้น ในระดับเดียวกันเมื่อเปรียบเทียบกับอนุภาคนาโน แผ่นนาโนสามารถระงับปัญหาการบดที่เกิดจากการขยายปริมาตรได้ดีขึ้น และวัสดุมีความหนาแน่นของการบดอัดที่สูงขึ้น การเรียงซ้อนของแผ่นนาโนที่ไม่เป็นระเบียบสามารถสร้างโครงสร้างที่มีรูพรุนได้ เพื่อเข้าร่วมกลุ่มแลกเปลี่ยนอิเล็กโทรดลบซิลิคอน จัดเตรียมพื้นที่บัฟเฟอร์สำหรับการขยายปริมาตรของวัสดุซิลิกอน การแนะนำท่อนาโนคาร์บอน (CNTs) ไม่เพียงแต่สามารถปรับปรุงค่าการนำไฟฟ้าของวัสดุเท่านั้น แต่ยังส่งเสริมการก่อตัวของโครงสร้างที่มีรูพรุนของวัสดุเนื่องจากลักษณะทางสัณฐานวิทยาในมิติเดียว ไม่มีรายงานเกี่ยวกับโครงสร้างที่มีรูพรุนที่สร้างโดยแผ่นนาโนซิลิคอนและ CNT บทความนี้ใช้วิธีกัดลูกบอล การบดและการกระจายตัว การทำแห้งแบบพ่นฝอย การเคลือบคาร์บอนล่วงหน้า และการเผาที่ใช้บังคับในอุตสาหกรรม และแนะนำโปรโมเตอร์ที่มีรูพรุนในกระบวนการเตรียมการเพื่อเตรียมวัสดุอิเล็กโทรดเชิงลบที่มีซิลิคอนซึ่งมีรูพรุนซึ่งเกิดขึ้นจากการประกอบตัวเองของแผ่นนาโนซิลิคอนและ CNT ขั้นตอนการเตรียมการนั้นง่าย เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และไม่มีของเสียหรือของเสียตกค้าง มีรายงานวรรณกรรมมากมายเกี่ยวกับการเคลือบคาร์บอนของวัสดุที่ใช้ซิลิกอน แต่มีการอภิปรายเชิงลึกเกี่ยวกับผลของการเคลือบเพียงเล็กน้อย บทความนี้ใช้แอสฟัลต์เป็นแหล่งคาร์บอนเพื่อตรวจสอบผลกระทบของวิธีการเคลือบคาร์บอนสองวิธี ได้แก่ การเคลือบเฟสของเหลวและการเคลือบเฟสของแข็ง ต่อผลของการเคลือบและประสิทธิภาพของวัสดุอิเล็กโทรดลบที่ใช้ซิลิคอน

1 การทดลอง

1.1 การเตรียมวัสดุ

การเตรียมวัสดุคอมโพสิตซิลิคอน-คาร์บอนที่มีรูพรุนส่วนใหญ่ประกอบด้วยห้าขั้นตอน: การกัดลูกบอล การบดและการกระจายตัว การทำแห้งแบบสเปรย์ การเคลือบคาร์บอนล่วงหน้า และการทำให้เป็นคาร์บอน ขั้นแรก ชั่งน้ำหนักผงซิลิกอนเริ่มต้น 500 กรัม (ในประเทศ มีความบริสุทธิ์ 99.99%) เติมไอโซโพรพานอล 2,000 กรัม และทำการกัดลูกบอลแบบเปียกด้วยความเร็วการกัดลูกบอล 2,000 รอบ/นาที เป็นเวลา 24 ชั่วโมง เพื่อให้ได้สารละลายซิลิกอนระดับนาโน สารละลายซิลิกอนที่ได้รับจะถูกถ่ายโอนไปยังถังถ่ายโอนการกระจายตัว และวัสดุจะถูกเพิ่มตามอัตราส่วนมวลของซิลิคอน: กราไฟท์ (ผลิตในเซี่ยงไฮ้, เกรดแบตเตอรี่): ท่อนาโนคาร์บอน (ผลิตในเทียนจิน, เกรดแบตเตอรี่): โพลีไวนิลไพโรลิโดน (ผลิต ที่เทียนจิน เกรดวิเคราะห์) = 40:60:1.5:2 ไอโซโพรพานอลใช้เพื่อปรับปริมาณของแข็ง และปริมาณของแข็งได้รับการออกแบบให้เป็น 15% การบดและการกระจายตัวจะดำเนินการที่ความเร็วการกระจาย 3500 รอบ/นาที เป็นเวลา 4 ชั่วโมง มีการเปรียบเทียบสารแขวนลอยอีกกลุ่มหนึ่งโดยไม่เติม CNT และวัสดุอื่นๆ ก็เหมือนกัน จากนั้นสารละลายที่กระจายตัวที่ได้รับจะถูกถ่ายโอนไปยังถังให้อาหารแบบพ่นแห้ง และทำแห้งแบบพ่นฝอยในบรรยากาศที่มีการป้องกันไนโตรเจน โดยมีอุณหภูมิทางเข้าและทางออกอยู่ที่ 180 และ 90 °C ตามลำดับ จากนั้นจึงเปรียบเทียบการเคลือบคาร์บอนสองประเภท ได้แก่ การเคลือบเฟสของแข็งและการเคลือบเฟสของเหลว วิธีการเคลือบเฟสของแข็งคือ: ผงสเปรย์แห้งผสมกับผงแอสฟัลต์ 20% (ผลิตในเกาหลี D50 คือ 5 μm) ผสมในเครื่องผสมเชิงกลเป็นเวลา 10 นาที และความเร็วในการผสมคือ 2000 รอบ/นาทีเพื่อให้ได้ ผงเคลือบล่วงหน้า วิธีการเคลือบเฟสของเหลวคือ: เติมผงแห้งแบบสเปรย์ลงในสารละลายไซลีน (ผลิตในเทียนจิน เกรดวิเคราะห์) ที่มีแอสฟัลต์ 20% ละลายในผงที่ปริมาณของแข็ง 55% และสุญญากาศกวนอย่างสม่ำเสมอ อบในเตาอบสุญญากาศที่อุณหภูมิ 85°C เป็นเวลา 4 ชั่วโมง ใส่ลงในเครื่องผสมเชิงกลเพื่อผสม ความเร็วในการผสมคือ 2000 รอบ/นาที และเวลาในการผสมคือ 10 นาทีเพื่อให้ได้ผงเคลือบไว้ล่วงหน้า สุดท้าย ผงเคลือบสำเร็จรูปถูกเผาในเตาเผาแบบหมุนภายใต้บรรยากาศไนโตรเจนที่อัตราการให้ความร้อน 5°C/นาที ในตอนแรกมันถูกเก็บไว้ที่อุณหภูมิคงที่ 550°C เป็นเวลา 2 ชั่วโมง จากนั้นให้ความร้อนต่อไปจนถึง 800°C และเก็บไว้ที่อุณหภูมิคงที่เป็นเวลา 2 ชั่วโมง จากนั้นทำให้เย็นลงตามธรรมชาติจนต่ำกว่า 100°C และปล่อยออกมาเพื่อให้ได้ซิลิคอนคาร์บอน วัสดุคอมโพสิต

1.2 วิธีการจำแนกลักษณะ

วิเคราะห์การกระจายขนาดอนุภาคของวัสดุโดยใช้เครื่องทดสอบขนาดอนุภาค (เวอร์ชัน Mastersizer 2000 ผลิตในสหราชอาณาจักร) ผงที่ได้รับในแต่ละขั้นตอนได้รับการทดสอบโดยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (Regulus8220 ผลิตในญี่ปุ่น) เพื่อตรวจสอบสัณฐานวิทยาและขนาดของผง โครงสร้างเฟสของวัสดุได้รับการวิเคราะห์โดยใช้เครื่องวิเคราะห์การเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์แบบผง (D8 ADVANCE ผลิตในประเทศเยอรมนี) และวิเคราะห์องค์ประกอบองค์ประกอบของวัสดุโดยใช้เครื่องวิเคราะห์สเปกตรัมพลังงาน วัสดุคอมโพสิตซิลิคอน-คาร์บอนที่ได้รับถูกนำมาใช้เพื่อสร้างครึ่งเซลล์ปุ่มของรุ่น CR2032 และอัตราส่วนมวลของซิลิคอน-คาร์บอน: SP: CNT: CMC: SBR เท่ากับ 92:2:2:1.5:2.5 อิเล็กโทรดเคาน์เตอร์เป็นแผ่นโลหะลิเธียม อิเล็กโทรไลต์เป็นอิเล็กโทรไลต์เชิงพาณิชย์ (รุ่น 1901 ผลิตในเกาหลี) ใช้ไดอะแฟรม Celgard 2320 ช่วงแรงดันการชาร์จและคายประจุคือ 0.005-1.5 V กระแสประจุและคายประจุคือ 0.1 C (1C = 1A) และกระแสตัดจำหน่ายคือ 0.05 C

เพื่อที่จะตรวจสอบประสิทธิภาพของวัสดุคอมโพสิตซิลิคอน-คาร์บอนเพิ่มเติม จึงได้ทำการผลิตแบตเตอรี่ซอฟต์แพคขนาดเล็กแบบเคลือบลามิเนต 408595 อิเล็กโทรดขั้วบวกใช้ NCM811 (ผลิตในหูหนาน เกรดแบตเตอรี่) และกราไฟท์อิเล็กโทรดขั้วลบเจือด้วยวัสดุซิลิคอนคาร์บอน 8% สูตรสารละลายอิเล็กโทรดบวกคือ 96% NCM811, โพลีไวนิลิดีนฟลูออไรด์ 1.2% (PVDF), สารนำไฟฟ้า 2% SP, 0.8% CNT และ NMP ใช้เป็นสารช่วยกระจายตัว สูตรสารละลายอิเล็กโทรดลบคือวัสดุอิเล็กโทรดเชิงลบคอมโพสิต 96%, CMC 1.3%, 1.5% SBR 1.2% CNT และน้ำถูกใช้เป็นสารช่วยกระจายตัว หลังจากการกวน การเคลือบ การรีด การตัด การเคลือบ การเชื่อมแท็บ การบรรจุ การอบ การฉีดของเหลว การก่อตัวและการแบ่งความจุ เตรียมแบตเตอรี่ซอฟต์แพ็คขนาดเล็กเคลือบลามิเนต 408595 ที่มีความจุพิกัด 3 Ah ไว้แล้ว ทดสอบประสิทธิภาพอัตราของ 0.2C, 0.5C, 1C, 2C และ 3C และประสิทธิภาพวงจรของประจุ 0.5C และการคายประจุ 1C ช่วงแรงดันการชาร์จและคายประจุคือ 2.8-4.2 V การชาร์จกระแสคงที่และแรงดันคงที่ และกระแสไฟตัดคือ 0.5C

2 ผลลัพธ์และการสนทนา

สังเกตผงซิลิกอนเริ่มต้นโดยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) ผงซิลิกอนมีลักษณะเป็นเม็ดละเอียดไม่สม่ำเสมอ โดยมีขนาดอนุภาคน้อยกว่า 2μm ดังแสดงในรูปที่ 1(a) หลังจากการกัดลูกบอล ขนาดของผงซิลิกอนลดลงอย่างมากเหลือประมาณ 100 นาโนเมตร [รูปที่ 1(b)] การทดสอบขนาดอนุภาคแสดงให้เห็นว่า D50 ของผงซิลิกอนหลังการกัดลูกบอลคือ 110 นาโนเมตร และ D90 อยู่ที่ 175 นาโนเมตร การตรวจสอบสัณฐานวิทยาของผงซิลิกอนอย่างรอบคอบหลังจากการกัดลูกบอลพบว่ามีโครงสร้างที่ไม่สม่ำเสมอ (การก่อตัวของโครงสร้างที่เป็นขุยจะได้รับการตรวจสอบเพิ่มเติมจาก SEM แบบตัดขวางในภายหลัง) ดังนั้นข้อมูล D90 ที่ได้จากการทดสอบขนาดอนุภาคจึงควรเป็นมิติความยาวของนาโนชีต เมื่อรวมกับผลลัพธ์ SEM แล้ว สามารถตัดสินได้ว่าขนาดของแผ่นนาโนที่ได้รับนั้นเล็กกว่าค่าวิกฤติที่ 150 นาโนเมตรของการแตกหักของผงซิลิกอนระหว่างการชาร์จและการคายประจุในอย่างน้อยหนึ่งมิติ การก่อตัวของสัณฐานวิทยาที่ไม่สม่ำเสมอมีสาเหตุหลักมาจากพลังงานการแยกตัวที่แตกต่างกันของระนาบผลึกของซิลิคอนที่เป็นผลึก ซึ่งในระนาบ {111} ของซิลิคอนมีพลังงานการแยกตัวต่ำกว่าระนาบผลึก {100} และ {110} ดังนั้นระนาบคริสตัลนี้จึงทำให้บางลงได้ง่ายกว่าด้วยการกัดลูกบอล และในที่สุดจะทำให้เกิดโครงสร้างที่ไม่สม่ำเสมอ โครงสร้างที่ไม่สม่ำเสมอเอื้อต่อการสะสมของโครงสร้างที่หลวม ช่วยสงวนพื้นที่สำหรับการขยายปริมาตรของซิลิคอน และปรับปรุงเสถียรภาพของวัสดุ

สารละลายที่ประกอบด้วยนาโนซิลิคอน CNT และกราไฟท์ถูกฉีดพ่น และตรวจสอบผงก่อนและหลังการฉีดพ่นโดย SEM ผลลัพธ์จะแสดงในรูปที่ 2 เมทริกซ์กราไฟต์ที่เพิ่มก่อนการพ่นเป็นโครงสร้างเกล็ดทั่วไปที่มีขนาด 5 ถึง 20 μm [รูปที่ 2(a)] การทดสอบการกระจายขนาดอนุภาคของกราไฟท์แสดงให้เห็นว่า D50 อยู่ที่ 15μm ผงที่ได้รับหลังจากการพ่นจะมีลักษณะสัณฐานเป็นทรงกลม [รูปที่ 2(b)] และจะเห็นได้ว่ากราไฟท์ถูกเคลือบด้วยชั้นเคลือบหลังการพ่น ค่า D50 ของผงหลังพ่นคือ 26.2 µm ลักษณะทางสัณฐานวิทยาของอนุภาคทุติยภูมิถูกสังเกตโดย SEM ซึ่งแสดงลักษณะของโครงสร้างที่มีรูพรุนหลวมที่สะสมโดยวัสดุนาโน [รูปที่ 2 (c)] โครงสร้างที่มีรูพรุนประกอบด้วยแผ่นนาโนซิลิคอนและ CNT ที่พันกัน [รูปที่ 2 (d)] และพื้นที่ผิวจำเพาะการทดสอบ (BET) สูงถึง 53.3 m2/g ดังนั้น หลังจากการฉีดพ่น แผ่นนาโนซิลิคอนและ CNT จะประกอบกันเองเพื่อสร้างโครงสร้างที่มีรูพรุน

ชั้นที่มีรูพรุนถูกบำบัดด้วยการเคลือบคาร์บอนเหลว และหลังจากเพิ่มระยะพิทช์ของสารตั้งต้นของสารเคลือบคาร์บอนและคาร์บอไนเซชันแล้ว ก็ดำเนินการสังเกต SEM ผลลัพธ์จะแสดงในรูปที่ 3 หลังจากการเคลือบคาร์บอนล่วงหน้า พื้นผิวของอนุภาคทุติยภูมิจะเรียบ โดยมีชั้นเคลือบที่ชัดเจน และการเคลือบเสร็จสมบูรณ์ ดังแสดงในรูปที่ 3(a) และ (b) หลังจากคาร์บอไนซ์ ชั้นเคลือบพื้นผิวจะรักษาสถานะการเคลือบที่ดี [รูปที่ 3(c)] นอกจากนี้ ภาพ SEM แบบตัดขวางยังแสดงอนุภาคนาโนที่มีรูปทรงเป็นแถบ [รูปที่ 3 (d)] ซึ่งสอดคล้องกับลักษณะทางสัณฐานวิทยาของแผ่นนาโน เพื่อตรวจสอบการก่อตัวของแผ่นนาโนซิลิคอนเพิ่มเติมหลังจากการกัดลูกบอล นอกจากนี้ รูปที่ 3(d) แสดงให้เห็นว่ามีสารตัวเติมอยู่ระหว่างแผ่นนาโนบางแผ่น สาเหตุหลักมาจากการใช้วิธีเคลือบเฟสของเหลว สารละลายแอสฟัลต์จะแทรกซึมเข้าไปในวัสดุ เพื่อให้พื้นผิวของนาโนชีตซิลิคอนภายในได้รับชั้นป้องกันเคลือบคาร์บอน ดังนั้นโดยการใช้การเคลือบเฟสของเหลว นอกเหนือจากการได้รับเอฟเฟกต์การเคลือบอนุภาคทุติยภูมิแล้ว ยังสามารถรับเอฟเฟกต์การเคลือบคาร์บอนสองเท่าของการเคลือบอนุภาคปฐมภูมิได้อีกด้วย ทดสอบผงคาร์บอไนซ์โดย BET และผลการทดสอบคือ 22.3 ม.2/กรัม

ผงคาร์บอนไนซ์ต้องได้รับการวิเคราะห์สเปกตรัมพลังงานหน้าตัด (EDS) และผลลัพธ์จะแสดงในรูปที่ 4(a) แกนขนาดไมครอนเป็นส่วนประกอบ C ซึ่งสอดคล้องกับเมทริกซ์กราไฟท์ และการเคลือบด้านนอกประกอบด้วยซิลิคอนและออกซิเจน เพื่อตรวจสอบโครงสร้างของซิลิคอนเพิ่มเติม ได้ทำการทดสอบการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ (XRD) และผลลัพธ์จะแสดงในรูปที่ 4(b) วัสดุส่วนใหญ่ประกอบด้วยกราไฟท์และซิลิกอนผลึกเดี่ยว โดยไม่มีลักษณะของซิลิกอนออกไซด์ที่ชัดเจน ซึ่งบ่งชี้ว่าส่วนประกอบออกซิเจนของการทดสอบสเปกตรัมพลังงานส่วนใหญ่มาจากการออกซิเดชันตามธรรมชาติของพื้นผิวซิลิกอน วัสดุคอมโพสิตซิลิคอน-คาร์บอนถูกบันทึกเป็น S1

วัสดุซิลิคอน-คาร์บอน S1 ที่เตรียมไว้นั้นได้รับการทดสอบการผลิตแบบครึ่งเซลล์แบบปุ่มและการทดสอบการปล่อยประจุ เส้นโค้งการคายประจุ-ประจุแรกแสดงในรูปที่ 5 ความจุเฉพาะที่สามารถพลิกกลับได้คือ 1,000.8 mAh/g และประสิทธิภาพรอบแรกสูงถึง 93.9% ซึ่งสูงกว่าประสิทธิภาพแรกของวัสดุที่ใช้ซิลิคอนส่วนใหญ่โดยไม่มีการเตรียมการล่วงหน้า lithiation รายงานในวรรณคดี ประสิทธิภาพขั้นแรกที่สูงบ่งชี้ว่าวัสดุคอมโพสิตซิลิคอนคาร์บอนที่เตรียมไว้มีความเสถียรสูง เพื่อตรวจสอบผลกระทบของโครงสร้างที่มีรูพรุน โครงข่ายนำไฟฟ้า และการเคลือบคาร์บอนต่อความเสถียรของวัสดุซิลิคอน-คาร์บอน จึงได้เตรียมวัสดุซิลิกอนคาร์บอนสองประเภทโดยไม่ต้องเติม CNT และไม่มีการเคลือบคาร์บอนปฐมภูมิ

สัณฐานวิทยาของผงคาร์บอไนซ์ของวัสดุคอมโพสิตซิลิคอน-คาร์บอนโดยไม่ต้องเติม CNT จะแสดงในรูปที่ 6 หลังจากการเคลือบด้วยเฟสของเหลวและคาร์บอไนเซชัน จะมองเห็นชั้นเคลือบได้อย่างชัดเจนบนพื้นผิวของอนุภาคทุติยภูมิในรูปที่ 6(a) SEM หน้าตัดของวัสดุคาร์บอไนซ์แสดงในรูปที่ 6(b) การเรียงซ้อนของแผ่นนาโนซิลิกอนมีลักษณะเป็นรูพรุน และการทดสอบ BET คือ 16.6 ม.2/กรัม อย่างไรก็ตาม เมื่อเปรียบเทียบกับเคสที่มี CNT [ดังแสดงในรูปที่ 3(d) การทดสอบ BET ของผงคาร์บอไนซ์คือ 22.3 m2/g] ความหนาแน่นของการซ้อนนาโนซิลิกอนภายในจะสูงกว่า ซึ่งบ่งชี้ว่าการเติม CNT สามารถส่งเสริมได้ การก่อตัวของโครงสร้างที่มีรูพรุน นอกจากนี้ วัสดุไม่มีโครงข่ายนำไฟฟ้าสามมิติที่สร้างโดย CNT วัสดุคอมโพสิตซิลิคอน-คาร์บอนถูกบันทึกเป็น S2

ลักษณะทางสัณฐานวิทยาของวัสดุคอมโพสิตซิลิคอน-คาร์บอนที่เตรียมโดยการเคลือบคาร์บอนโซลิดเฟสจะแสดงในรูปที่ 7 หลังจากคาร์บอไนซ์ จะมีชั้นเคลือบที่ชัดเจนบนพื้นผิว ดังแสดงในรูปที่ 7(a) รูปที่ 7 (b) แสดงให้เห็นว่ามีอนุภาคนาโนที่มีรูปทรงเป็นแถบในหน้าตัด ซึ่งสอดคล้องกับลักษณะทางสัณฐานวิทยาของแผ่นนาโน การสะสมของแผ่นนาโนทำให้เกิดโครงสร้างที่มีรูพรุน ไม่มีสารตัวเติมที่ชัดเจนบนพื้นผิวของแผ่นนาโนภายใน ซึ่งบ่งชี้ว่าการเคลือบคาร์บอนเฟสของแข็งจะสร้างชั้นเคลือบคาร์บอนที่มีโครงสร้างเป็นรูพรุนเท่านั้น และไม่มีชั้นเคลือบภายในสำหรับแผ่นนาโนซิลิคอน วัสดุคอมโพสิตซิลิคอน-คาร์บอนนี้บันทึกเป็น S3

การทดสอบการชาร์จและการคายประจุแบบครึ่งเซลล์แบบปุ่มดำเนินการบน S2 และ S3 ความจุเฉพาะและประสิทธิภาพแรกของ S2 คือ 1120.2 mAh/g และ 84.8% ตามลำดับ และความจุเฉพาะและประสิทธิภาพแรกของ S3 คือ 882.5 mAh/g และ 82.9% ตามลำดับ ความจุจำเพาะและประสิทธิภาพแรกของตัวอย่าง S3 ที่เคลือบด้วยเฟสโซลิดนั้นต่ำที่สุด ซึ่งบ่งชี้ว่ามีการดำเนินการเพียงการเคลือบคาร์บอนของโครงสร้างที่มีรูพรุนเท่านั้น และไม่ได้ดำเนินการเคลือบคาร์บอนของแผ่นนาโนซิลิคอนภายใน ซึ่งไม่สามารถแสดงได้เต็มที่ ถึงความสามารถเฉพาะของวัสดุที่ทำจากซิลิคอนและไม่สามารถปกป้องพื้นผิวของวัสดุที่ทำจากซิลิคอนได้ ประสิทธิภาพครั้งแรกของตัวอย่าง S2 ที่ไม่มี CNT ก็ต่ำกว่าวัสดุคอมโพสิตซิลิคอน-คาร์บอนที่มี CNT ด้วยเช่นกัน ซึ่งบ่งชี้ว่าบนพื้นฐานของชั้นเคลือบที่ดี เครือข่ายที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าและโครงสร้างที่มีรูพรุนในระดับที่สูงกว่าจะเอื้อต่อการปรับปรุง ของประสิทธิภาพการชาร์จและคายประจุของวัสดุซิลิคอนคาร์บอน

วัสดุซิลิกอนคาร์บอน S1 ถูกนำมาใช้เพื่อสร้างแบตเตอรี่เต็มก้อนแบบอ่อนขนาดเล็กเพื่อตรวจสอบประสิทธิภาพอัตราและประสิทธิภาพของวงจร เส้นอัตราการคายประจุแสดงในรูปที่ 8(a) ความสามารถในการคายประจุของ 0.2C, 0.5C, 1C, 2C และ 3C คือ 2.970, 2.999, 2.920, 2.176 และ 1.021 Ah ตามลำดับ อัตราการปล่อย 1C สูงถึง 98.3% แต่อัตราการปล่อย 2C ลดลงเหลือ 73.3% และอัตราการปล่อย 3C ลดลงอีกเป็น 34.4% หากต้องการเข้าร่วมกลุ่มแลกเปลี่ยนอิเล็กโทรดลบซิลิคอน โปรดเพิ่ม WeChat: shimobang ในแง่ของอัตราการชาร์จ ความสามารถในการชาร์จ 0.2C, 0.5C, 1C, 2C และ 3C คือ 3.186, 3.182, 3.081, 2.686 และ 2.289 Ah ตามลำดับ อัตราการชาร์จ 1C อยู่ที่ 96.7% และอัตราการชาร์จ 2C ยังคงสูงถึง 84.3% อย่างไรก็ตาม เมื่อสังเกตเส้นโค้งการชาร์จในรูปที่ 8 (b) แท่นชาร์จ 2C มีขนาดใหญ่กว่าแท่นชาร์จ 1C อย่างมีนัยสำคัญ และความสามารถในการชาร์จด้วยแรงดันไฟฟ้าคงที่คิดเป็นส่วนใหญ่ (55%) ซึ่งบ่งชี้ว่าโพลาไรเซชันของแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ 2C คือ ใหญ่มากแล้ว วัสดุซิลิคอนคาร์บอนมีประสิทธิภาพการชาร์จและการคายประจุที่ดีที่อุณหภูมิ 1C แต่ต้องปรับปรุงลักษณะโครงสร้างของวัสดุเพิ่มเติมเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพในอัตราที่สูงขึ้น ดังแสดงในรูปที่ 9 หลังจาก 450 รอบ อัตราการรักษาความจุอยู่ที่ 78% ซึ่งแสดงประสิทธิภาพของวงจรที่ดี

SEM ตรวจสอบสถานะพื้นผิวของอิเล็กโทรดก่อนและหลังวัฏจักร และผลลัพธ์จะแสดงในรูปที่ 10 ก่อนการวัฏจักร พื้นผิวของกราไฟท์และวัสดุซิลิคอนคาร์บอนจะชัดเจน [รูปที่ 10(a)]; หลังจากรอบนี้ ชั้นเคลือบจะถูกสร้างขึ้นอย่างชัดเจนบนพื้นผิว [รูปที่ 10(b)] ซึ่งเป็นฟิล์ม SEI ที่มีความหนา ความหยาบของฟิล์ม SEI การใช้ลิเธียมที่ใช้งานอยู่ในระดับสูง ซึ่งไม่เอื้อต่อประสิทธิภาพของวงจร ดังนั้น การส่งเสริมการก่อตัวของฟิล์ม SEI ที่เรียบลื่น (เช่น การสร้างฟิล์ม SEI เทียม การเติมสารเติมแต่งอิเล็กโทรไลต์ที่เหมาะสม ฯลฯ) สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของวงจรได้ การสังเกต SEM แบบตัดขวางของอนุภาคซิลิคอนคาร์บอนหลังวัฏจักร (รูปที่ 10 (c)) แสดงให้เห็นว่าอนุภาคนาโนซิลิกอนที่มีรูปทรงเป็นแถบดั้งเดิมนั้นหยาบขึ้นและโครงสร้างรูพรุนก็ถูกกำจัดออกไปโดยพื้นฐานแล้ว สาเหตุหลักมาจากการขยายตัวและการหดตัวของปริมาตรอย่างต่อเนื่องของวัสดุซิลิคอนคาร์บอนในระหว่างรอบการทำงาน ดังนั้น โครงสร้างที่มีรูพรุนจึงจำเป็นต้องได้รับการปรับปรุงเพิ่มเติมเพื่อให้มีพื้นที่บัฟเฟอร์เพียงพอสำหรับการขยายปริมาตรของวัสดุที่ใช้ซิลิกอน

3 บทสรุป

จากการขยายปริมาตร สภาพการนำไฟฟ้าที่ไม่ดี และความเสถียรของอินเทอร์เฟซที่ไม่ดีของวัสดุอิเล็กโทรดเชิงลบที่ใช้ซิลิคอน บทความนี้ทำให้การปรับปรุงตามเป้าหมาย ตั้งแต่รูปร่างทางสัณฐานวิทยาของแผ่นนาโนซิลิคอน การสร้างโครงสร้างที่มีรูพรุน การสร้างเครือข่ายที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า และการเคลือบคาร์บอนที่สมบูรณ์ของอนุภาคทุติยภูมิทั้งหมด เพื่อปรับปรุงความเสถียรของวัสดุอิเล็กโทรดลบที่ใช้ซิลิคอนโดยรวม การสะสมของแผ่นนาโนซิลิคอนสามารถสร้างโครงสร้างที่มีรูพรุนได้ การแนะนำ CNT จะช่วยส่งเสริมการก่อตัวของโครงสร้างที่มีรูพรุนต่อไป วัสดุคอมโพสิตซิลิคอน-คาร์บอนที่เตรียมโดยการเคลือบเฟสของเหลวมีผลการเคลือบคาร์บอนสองเท่ามากกว่าที่เตรียมโดยการเคลือบโซลิดเฟส และแสดงความสามารถจำเพาะที่สูงกว่าและมีประสิทธิภาพครั้งแรก นอกจากนี้ ประสิทธิภาพขั้นแรกของวัสดุคอมโพสิตซิลิคอน-คาร์บอนที่มี CNT นั้นสูงกว่าประสิทธิภาพที่ไม่มี CNT ซึ่งมีสาเหตุหลักมาจากความสามารถของโครงสร้างที่มีรูพรุนในระดับที่สูงขึ้นในการบรรเทาการขยายตัวของปริมาตรของวัสดุที่ใช้ซิลิกอน การเปิดตัว CNT จะสร้างเครือข่ายสื่อกระแสไฟฟ้าแบบสามมิติ ปรับปรุงค่าการนำไฟฟ้าของวัสดุที่ใช้ซิลิคอน และแสดงประสิทธิภาพอัตราที่ดีที่ 1C และวัสดุแสดงประสิทธิภาพของวงจรที่ดี อย่างไรก็ตาม โครงสร้างที่มีรูพรุนของวัสดุจำเป็นต้องได้รับการเสริมความแข็งแกร่งเพิ่มเติมเพื่อให้มีพื้นที่บัฟเฟอร์เพียงพอสำหรับการขยายปริมาตรของซิลิคอน และส่งเสริมการก่อตัวของความเรียบและฟิล์ม SEI ที่มีความหนาแน่นสูงเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของวงจรของวัสดุคอมโพสิตซิลิคอนคาร์บอน

นอกจากนี้เรายังจัดหาผลิตภัณฑ์กราไฟท์และซิลิกอนคาร์ไบด์ที่มีความบริสุทธิ์สูง ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในกระบวนการผลิตแผ่นเวเฟอร์ เช่น ออกซิเดชัน การแพร่กระจาย และการหลอมอ่อน

ยินดีต้อนรับลูกค้าจากทั่วทุกมุมโลกเพื่อเยี่ยมชมเราเพื่อหารือเพิ่มเติม!

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