การเตรียมและการปรับปรุงประสิทธิภาพของวัสดุคอมโพสิตคาร์บอนซิลิกอนที่มีรูพรุน

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนส่วนใหญ่กำลังพัฒนาไปในทิศทางของความหนาแน่นของพลังงานสูง ที่อุณหภูมิห้อง วัสดุอิเล็กโทรดเชิงลบที่เป็นฐานซิลิกอนจะผสมกับลิเธียมเพื่อผลิตผลิตภัณฑ์ที่มีลิเธียมสูงในเฟส Li3.75Si ซึ่งมีความจุจำเพาะสูงถึง 3572 mAh/g ซึ่งสูงกว่าความจุจำเพาะทางทฤษฎีของอิเล็กโทรดเชิงลบของกราไฟต์ 372 mAh/g มาก อย่างไรก็ตาม ในระหว่างกระบวนการชาร์จและปล่อยซ้ำๆ ของวัสดุอิเล็กโทรดเชิงลบที่เป็นฐานซิลิกอน การเปลี่ยนเฟสของ Si และ Li3.75Si สามารถสร้างการขยายตัวของปริมาตรได้อย่างมาก (ประมาณ 300%) ซึ่งจะนำไปสู่การสร้างผงโครงสร้างของวัสดุอิเล็กโทรดและการสร้างฟิล์ม SEI อย่างต่อเนื่อง และในที่สุดทำให้ความจุลดลงอย่างรวดเร็ว อุตสาหกรรมนี้ส่วนใหญ่ปรับปรุงประสิทธิภาพของวัสดุอิเล็กโทรดเชิงลบที่เป็นฐานซิลิกอนและความเสถียรของแบตเตอรี่ที่เป็นฐานซิลิกอนผ่านการกำหนดขนาดนาโน การเคลือบคาร์บอน การสร้างรูพรุน และเทคโนโลยีอื่นๆ

วัสดุคาร์บอนมีคุณสมบัติในการนำไฟฟ้าที่ดี ต้นทุนต่ำ และมีแหล่งกำเนิดที่หลากหลาย คาร์บอนสามารถปรับปรุงคุณสมบัติในการนำไฟฟ้าและความเสถียรของพื้นผิวของวัสดุที่ใช้ซิลิกอนได้ โดยส่วนใหญ่จะใช้เป็นสารเติมแต่งเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพสำหรับอิเล็กโทรดลบที่ใช้ซิลิกอน วัสดุซิลิกอน-คาร์บอนเป็นแนวทางการพัฒนาหลักของอิเล็กโทรดลบที่ใช้ซิลิกอน การเคลือบคาร์บอนสามารถปรับปรุงความเสถียรของพื้นผิวของวัสดุที่ใช้ซิลิกอนได้ แต่ความสามารถในการยับยั้งการขยายตัวของปริมาตรของซิลิกอนนั้นเป็นเรื่องทั่วไปและไม่สามารถแก้ปัญหาการขยายตัวของปริมาตรของซิลิกอนได้ ดังนั้น เพื่อปรับปรุงเสถียรภาพของวัสดุที่ใช้ซิลิกอน จำเป็นต้องสร้างโครงสร้างที่มีรูพรุน การบดด้วยลูกบอลเป็นวิธีการทางอุตสาหกรรมสำหรับการเตรียมนาโนวัสดุ สามารถเพิ่มสารเติมแต่งหรือส่วนประกอบของวัสดุต่างๆ ลงในสารละลายที่ได้จากการบดด้วยลูกบอลได้ตามข้อกำหนดการออกแบบของวัสดุคอมโพสิต สารละลายจะกระจายอย่างสม่ำเสมอผ่านสารละลายต่างๆ และทำให้แห้งด้วยการพ่น ในระหว่างกระบวนการอบแห้งทันที อนุภาคนาโนและส่วนประกอบอื่นๆ ในสารละลายจะสร้างลักษณะโครงสร้างที่มีรูพรุนโดยธรรมชาติ เอกสารนี้ใช้เทคโนโลยีการบดลูกบอลและการพ่นแห้งที่ใช้ในเชิงอุตสาหกรรมและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมเพื่อเตรียมวัสดุที่มีฐานเป็นซิลิโคนที่มีรูพรุน

ประสิทธิภาพของวัสดุที่ใช้ซิลิกอนสามารถปรับปรุงได้โดยการควบคุมลักษณะทางสัณฐานวิทยาและการกระจายตัวของนาโนวัสดุซิลิกอน ปัจจุบันวัสดุที่ใช้ซิลิกอนที่มีรูปร่างและลักษณะการกระจายตัวที่หลากหลายได้ถูกเตรียมไว้แล้ว เช่น แท่งซิลิกอน นาโนซิลิกอนฝังกราไฟท์ที่มีรูพรุน นาโนซิลิกอนที่กระจายอยู่ในทรงกลมคาร์บอน โครงสร้างรูพรุนของอาร์เรย์ซิลิกอน/กราฟีน เป็นต้น ในระดับเดียวกัน เมื่อเทียบกับอนุภาคนาโน แผ่นนาโนสามารถปราบปรามปัญหาการบดอัดที่เกิดจากการขยายตัวของปริมาตรได้ดีกว่า และวัสดุมีความหนาแน่นของการอัดแน่นที่สูงกว่า การเรียงซ้อนของแผ่นนาโนที่ไม่เป็นระเบียบยังสามารถสร้างโครงสร้างที่มีรูพรุนได้อีกด้วย เพื่อรวมกลุ่มการแลกเปลี่ยนอิเล็กโทรดลบของซิลิกอน ให้พื้นที่บัฟเฟอร์สำหรับการขยายตัวของปริมาตรของวัสดุซิลิกอน การนำคาร์บอนนาโนทิวบ์ (CNT) มาใช้ไม่เพียงแต่จะปรับปรุงสภาพการนำไฟฟ้าของวัสดุเท่านั้น แต่ยังส่งเสริมการก่อตัวของโครงสร้างที่มีรูพรุนของวัสดุเนื่องจากลักษณะทางสัณฐานวิทยาแบบมิติเดียว ไม่มีรายงานเกี่ยวกับโครงสร้างที่มีรูพรุนที่สร้างขึ้นโดยแผ่นนาโนซิลิกอนและ CNT บทความนี้ใช้เครื่องบดลูกกลิ้ง การบดและการกระจาย การทำให้แห้งแบบพ่น การเคลือบคาร์บอนเบื้องต้น และการเผา ซึ่งใช้ในอุตสาหกรรม และแนะนำโปรโมเตอร์ที่มีรูพรุนในกระบวนการเตรียมเพื่อเตรียมวัสดุอิเล็กโทรดลบที่มีฐานเป็นซิลิคอนที่มีรูพรุน ซึ่งก่อตัวขึ้นจากการประกอบตัวเองของแผ่นนาโนซิลิคอนและ CNT กระบวนการเตรียมนั้นง่าย เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และไม่มีการสร้างของเหลวเสียหรือสารตกค้างเสีย มีรายงานทางวิชาการมากมายเกี่ยวกับการเคลือบคาร์บอนของวัสดุที่มีฐานเป็นซิลิคอน แต่มีการหารือเชิงลึกเกี่ยวกับผลกระทบของการเคลือบน้อยมาก บทความนี้ใช้แอสฟัลต์เป็นแหล่งคาร์บอนเพื่อตรวจสอบผลกระทบของวิธีการเคลือบคาร์บอนสองวิธี ได้แก่ การเคลือบเฟสของเหลวและการเคลือบเฟสของแข็ง ต่อผลกระทบของการเคลือบและประสิทธิภาพของวัสดุอิเล็กโทรดลบที่มีฐานเป็นซิลิคอน

การทดลองที่ 1

1.1 การเตรียมวัสดุ

การเตรียมวัสดุคอมโพสิตซิลิกอน-คาร์บอนที่มีรูพรุนประกอบด้วย 5 ขั้นตอนหลัก ได้แก่ การบดด้วยลูกกลิ้ง การบดและการกระจาย การอบแห้งแบบพ่น การเคลือบคาร์บอนเบื้องต้น และการคาร์บอไนเซชัน ขั้นแรก ให้ชั่งผงซิลิกอนเริ่มต้น 500 กรัม (ในประเทศ ความบริสุทธิ์ 99.99%) เติมไอโซโพรพานอล 2,000 กรัม แล้วบดด้วยลูกกลิ้งแบบเปียกด้วยความเร็วการบดด้วยลูกกลิ้ง 2,000 รอบต่อนาทีเป็นเวลา 24 ชั่วโมง เพื่อให้ได้สารละลายซิลิกอนในระดับนาโน สารละลายซิลิกอนที่ได้จะถูกถ่ายโอนไปยังถังถ่ายโอนการกระจาย และวัสดุจะถูกเติมตามอัตราส่วนมวลของซิลิกอน: กราไฟท์ (ผลิตในเซี่ยงไฮ้ เกรดแบตเตอรี่): นาโนท่อคาร์บอน (ผลิตในเทียนจิน เกรดแบตเตอรี่): โพลีไวนิลไพโรลิโดน (ผลิตในเทียนจิน เกรดวิเคราะห์) = 40:60:1.5:2 ไอโซโพรพานอลใช้เพื่อปรับปริมาณของแข็ง และปริมาณของแข็งได้รับการออกแบบให้เป็น 15% การบดและการกระจายจะดำเนินการด้วยความเร็วการกระจาย 3,500 รอบต่อนาทีเป็นเวลา 4 ชั่วโมง เปรียบเทียบกลุ่มสารละลายอื่น ๆ ที่ไม่ได้เติม CNT และวัสดุอื่น ๆ ก็เหมือนกัน จากนั้นสารละลายกระจายที่ได้จะถูกถ่ายโอนไปยังถังป้อนสำหรับการทำให้แห้งแบบพ่น และการทำให้แห้งแบบพ่นจะดำเนินการในบรรยากาศที่ป้องกันด้วยไนโตรเจน โดยอุณหภูมิทางเข้าและทางออกคือ 180 และ 90 °C ตามลำดับ จากนั้นเปรียบเทียบการเคลือบคาร์บอนสองประเภท ได้แก่ การเคลือบเฟสแข็งและการเคลือบเฟสของเหลว วิธีการเคลือบเฟสแข็งคือ ผสมผงแห้งแบบพ่นกับผงแอสฟัลต์ 20% (ผลิตในเกาหลี D50 คือ 5 μm) ในเครื่องผสมเชิงกลเป็นเวลา 10 นาที และความเร็วในการผสมคือ 2,000 รอบต่อนาทีเพื่อให้ได้ผงที่เคลือบไว้ล่วงหน้า วิธีการเคลือบเฟสของเหลวคือ: ผงแห้งแบบพ่นจะถูกเติมลงในสารละลายไซลีน (ผลิตในเทียนจิน เกรดวิเคราะห์) ที่มีแอสฟัลต์ 20% ละลายในผงที่ปริมาณของแข็ง 55% และคนในสุญญากาศอย่างสม่ำเสมอ อบในเตาอบสุญญากาศที่ 85℃ เป็นเวลา 4 ชั่วโมง ใส่ในเครื่องผสมเชิงกลสำหรับการผสม ความเร็วในการผสมคือ 2,000 รอบต่อนาที และเวลาในการผสมคือ 10 นาที เพื่อให้ได้ผงเคลือบล่วงหน้า ในที่สุด ผงเคลือบล่วงหน้าจะถูกเผาในเตาหมุนภายใต้บรรยากาศไนโตรเจนด้วยอัตราการให้ความร้อน 5°C/นาที โดยก่อนอื่นจะถูกเก็บไว้ที่อุณหภูมิคงที่ 550°C เป็นเวลา 2 ชั่วโมง จากนั้นจึงให้ความร้อนต่อไปที่ 800°C และคงไว้ที่อุณหภูมิคงที่เป็นเวลา 2 ชั่วโมง จากนั้นจึงทำให้เย็นลงตามธรรมชาติต่ำกว่า 100°C และปล่อยออกเพื่อให้ได้วัสดุคอมโพสิตซิลิกอน-คาร์บอน

1.2 วิธีการกำหนดลักษณะ

การกระจายขนาดอนุภาคของวัสดุได้รับการวิเคราะห์โดยใช้เครื่องทดสอบขนาดอนุภาค (Mastersizer รุ่น 2000 ผลิตในสหราชอาณาจักร) ผงที่ได้ในแต่ละขั้นตอนได้รับการทดสอบด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (Regulus8220 ผลิตในประเทศญี่ปุ่น) เพื่อตรวจสอบสัณฐานวิทยาและขนาดของผง โครงสร้างเฟสของวัสดุได้รับการวิเคราะห์โดยใช้เครื่องวิเคราะห์การเลี้ยวเบนของผงรังสีเอกซ์ (D8 ADVANCE ผลิตในประเทศเยอรมนี) และองค์ประกอบธาตุของวัสดุได้รับการวิเคราะห์โดยใช้เครื่องวิเคราะห์สเปกตรัมพลังงาน วัสดุคอมโพสิตซิลิกอน-คาร์บอนที่ได้ถูกนำมาใช้เพื่อสร้างเซลล์ครึ่งปุ่มของรุ่น CR2032 และอัตราส่วนมวลของซิลิกอน-คาร์บอน: SP: CNT: CMC: SBR คือ 92:2:2:1.5:2.5 เคาน์เตอร์อิเล็กโทรดเป็นแผ่นโลหะลิเธียม อิเล็กโทรไลต์เป็นอิเล็กโทรไลต์เชิงพาณิชย์ (รุ่น 1901 ผลิตในเกาหลี) ใช้ไดอะแฟรม Celgard 2320 ช่วงแรงดันชาร์จและปล่อยประจุคือ 0.005-1.5 V กระแสชาร์จและปล่อยประจุคือ 0.1 C (1C = 1A) และกระแสตัดการปล่อยประจุคือ 0.05 C

เพื่อตรวจสอบประสิทธิภาพของวัสดุคอมโพสิตซิลิกอน-คาร์บอนเพิ่มเติม จึงได้ผลิตแบตเตอรี่แบบแพ็กนิ่มขนาดเล็กแบบแผ่น 408595 อิเล็กโทรดบวกใช้ NCM811 (ผลิตในหูหนาน เกรดแบตเตอรี่) และกราไฟต์อิเล็กโทรดลบถูกเจือด้วยวัสดุซิลิกอน-คาร์บอน 8% สูตรสารละลายอิเล็กโทรดบวกคือ NCM811 96%, โพลีไวนิลิดีนฟลูออไรด์ (PVDF) 1.2%, ตัวแทนนำไฟฟ้า SP 2%, CNT 0.8% และใช้ NMP เป็นตัวกระจาย สูตรสารละลายอิเล็กโทรดลบคือวัสดุอิเล็กโทรดลบคอมโพสิต 96%, CMC 1.3%, SBR 1.5% และ CNT 1.2% และใช้น้ำเป็นตัวกระจาย หลังจากกวน เคลือบ รีด ตัด เคลือบ เชื่อมแท็บ บรรจุภัณฑ์ อบ ฉีดของเหลว การก่อตัว และการแบ่งความจุ แบตเตอรี่แบบแพ็กนิ่มขนาดเล็กแบบแผ่น 408595 ที่มีความจุที่กำหนด 3 Ah ก็ถูกเตรียมขึ้น ทดสอบประสิทธิภาพอัตราการชาร์จ 0.2C, 0.5C, 1C, 2C และ 3C และประสิทธิภาพรอบการชาร์จ 0.5C และปล่อยประจุ 1C ช่วงแรงดันการชาร์จและปล่อยประจุคือ 2.8-4.2 V กระแสคงที่และแรงดันคงที่ในการชาร์จ และกระแสตัดคือ 0.5C

2. ผลลัพธ์และการอภิปราย

ผงซิลิกอนเริ่มต้นถูกสังเกตโดยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM) ผงซิลิกอนเป็นเม็ดเล็ก ๆ ไม่สม่ำเสมอโดยมีขนาดอนุภาคน้อยกว่า 2 ไมโครเมตร ดังที่แสดงในรูปที่ 1(a) หลังจากการบดด้วยลูกกลิ้ง ขนาดของผงซิลิกอนลดลงอย่างมีนัยสำคัญเหลือประมาณ 100 นาโนเมตร [รูปที่ 1(b)] การทดสอบขนาดอนุภาคแสดงให้เห็นว่า D50 ของผงซิลิกอนหลังจากการบดด้วยลูกกลิ้งมีขนาด 110 นาโนเมตรและ D90 มีขนาด 175 นาโนเมตร การตรวจสอบอย่างละเอียดเกี่ยวกับสัณฐานวิทยาของผงซิลิกอนหลังจากการบดด้วยลูกกลิ้งแสดงให้เห็นโครงสร้างที่มีลักษณะเป็นแผ่น (การก่อตัวของโครงสร้างที่มีลักษณะเป็นแผ่นจะได้รับการตรวจยืนยันเพิ่มเติมจาก SEM แบบตัดขวางในภายหลัง) ดังนั้นข้อมูล D90 ที่ได้จากการทดสอบขนาดอนุภาคควรเป็นมิติความยาวของแผ่นนาโน เมื่อรวมกับผลลัพธ์ของ SEM แล้ว สามารถตัดสินได้ว่าขนาดของแผ่นนาโนที่ได้นั้นมีขนาดเล็กกว่าค่าวิกฤตที่ 150 นาโนเมตรของการแตกของผงซิลิกอนในระหว่างการชาร์จและการคายประจุในอย่างน้อยหนึ่งมิติ การก่อตัวของโครงสร้างผลึกแบบแผ่นเกิดจากพลังงานการแตกตัวที่แตกต่างกันของระนาบผลึกของซิลิคอนผลึก โดยระนาบ {111} ของซิลิคอนมีพลังงานการแตกตัวที่ต่ำกว่าระนาบผลึก {100} และ {110} ดังนั้น ระนาบผลึกนี้จึงบางลงได้ง่ายกว่าด้วยการบดด้วยลูกกลิ้ง และในที่สุดก็ก่อตัวเป็นโครงสร้างแบบแผ่น โครงสร้างแบบแผ่นนี้เอื้อต่อการสะสมของโครงสร้างที่หลวมๆ สำรองพื้นที่ไว้สำหรับการขยายตัวของปริมาตรของซิลิคอน และปรับปรุงเสถียรภาพของวัสดุ

สารละลายที่ประกอบด้วยนาโนซิลิกอน CNT และกราไฟท์ถูกพ่น และตรวจสอบผงก่อนและหลังการพ่นด้วย SEM ผลแสดงไว้ในรูปที่ 2 เมทริกซ์กราไฟท์ที่เติมก่อนการพ่นเป็นโครงสร้างเกล็ดทั่วไปที่มีขนาด 5 ถึง 20 μm [รูปที่ 2(a)] การทดสอบการกระจายขนาดอนุภาคของกราไฟท์แสดงให้เห็นว่า D50 มีขนาด 15 μm ผงที่ได้หลังจากการพ่นมีรูปร่างทรงกลม [รูปที่ 2(b)] และจะเห็นได้ว่ากราไฟท์ถูกเคลือบด้วยชั้นเคลือบหลังจากการพ่น D50 ของผงหลังจากการพ่นคือ 26.2 μm ลักษณะทางสัณฐานวิทยาของอนุภาครองถูกสังเกตด้วย SEM แสดงให้เห็นลักษณะของโครงสร้างรูพรุนหลวมๆ ที่สะสมโดยนาโนวัสดุ [รูปที่ 2(c)] โครงสร้างที่มีรูพรุนประกอบด้วยแผ่นนาโนซิลิกอนและ CNT ที่พันกัน [รูปที่ 2(d)] และพื้นที่ผิวจำเพาะในการทดสอบ (BET) สูงถึง 53.3 m2/g ดังนั้น หลังจากการพ่น แผ่นนาโนซิลิกอนและ CNT จะประกอบกันเองเพื่อสร้างโครงสร้างที่มีรูพรุน

ชั้นที่มีรูพรุนได้รับการบำบัดด้วยการเคลือบด้วยคาร์บอนเหลว และหลังจากเติมสารตั้งต้นของการเคลือบคาร์บอนและการทำให้เป็นคาร์บอนแล้ว จึงดำเนินการสังเกตด้วย SEM ผลลัพธ์จะแสดงในรูปที่ 3 หลังจากการเคลือบด้วยคาร์บอนเบื้องต้นแล้ว พื้นผิวของอนุภาครองจะเรียบขึ้น โดยมีชั้นเคลือบที่ชัดเจน และการเคลือบจะเสร็จสมบูรณ์ ดังแสดงในรูปที่ 3(a) และ (b) หลังจากการทำให้เป็นคาร์บอนแล้ว ชั้นเคลือบผิวจะรักษาสถานะการเคลือบที่ดีไว้ [รูปที่ 3(c)] นอกจากนี้ ภาพตัดขวางของ SEM ยังแสดงอนุภาคขนาดนาโนที่มีรูปร่างเป็นแถบ [รูปที่ 3(d)] ซึ่งสอดคล้องกับลักษณะทางสัณฐานวิทยาของแผ่นนาโน ซึ่งเป็นการยืนยันเพิ่มเติมเกี่ยวกับการก่อตัวของแผ่นนาโนซิลิกอนหลังจากการบดด้วยลูกกลิ้ง นอกจากนี้ รูปที่ 3(d) ยังแสดงให้เห็นว่ามีสารตัวเติมระหว่างแผ่นนาโนบางส่วน ซึ่งส่วนใหญ่เกิดจากการใช้การเคลือบแบบเฟสของเหลว สารละลายแอสฟัลต์จะแทรกซึมเข้าไปในวัสดุ ทำให้พื้นผิวของแผ่นนาโนซิลิกอนภายในได้รับชั้นป้องกันการเคลือบด้วยคาร์บอน ดังนั้น การใช้การเคลือบเฟสของเหลว นอกจากจะได้เอฟเฟกต์การเคลือบอนุภาครองแล้ว ยังสามารถรับเอฟเฟกต์การเคลือบคาร์บอนคู่ของการเคลือบอนุภาคหลักได้อีกด้วย ผงคาร์บอนได้รับการทดสอบโดย BET และผลการทดสอบคือ 22.3 m2/g

ผงคาร์บอนไนซ์ถูกนำไปวิเคราะห์สเปกตรัมพลังงานตามหน้าตัด (EDS) และผลลัพธ์จะแสดงในรูปที่ 4(a) แกนขนาดไมครอนเป็นองค์ประกอบ C ซึ่งสอดคล้องกับเมทริกซ์กราไฟต์ และชั้นเคลือบด้านนอกประกอบด้วยซิลิกอนและออกซิเจน เพื่อตรวจสอบโครงสร้างของซิลิกอนเพิ่มเติม จึงทำการทดสอบการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ (XRD) และผลลัพธ์จะแสดงในรูปที่ 4(b) วัสดุนี้ประกอบด้วยกราไฟต์และซิลิกอนผลึกเดี่ยวเป็นหลัก โดยไม่มีลักษณะของออกไซด์ของซิลิกอนที่ชัดเจน ซึ่งบ่งชี้ว่าองค์ประกอบออกซิเจนของการทดสอบสเปกตรัมพลังงานส่วนใหญ่มาจากการออกซิเดชันตามธรรมชาติของพื้นผิวซิลิกอน วัสดุคอมโพสิตซิลิกอน-คาร์บอนถูกบันทึกเป็น S1

วัสดุซิลิกอน-คาร์บอนที่เตรียมไว้ S1 ได้รับการทดสอบการผลิตเซลล์ครึ่งเซลล์แบบปุ่มและการทดสอบการชาร์จ-การคายประจุ กราฟการชาร์จ-การคายประจุครั้งแรกแสดงไว้ในรูปที่ 5 ความจุจำเพาะแบบกลับคืนได้คือ 1,000.8 mAh/g และประสิทธิภาพรอบแรกสูงถึง 93.9% ซึ่งสูงกว่าประสิทธิภาพแรกของวัสดุซิลิกอนส่วนใหญ่ที่ไม่มีการลิเธียมล่วงหน้าตามที่รายงานในเอกสาร ประสิทธิภาพรอบแรกที่สูงบ่งชี้ว่าวัสดุคอมโพสิตซิลิกอน-คาร์บอนที่เตรียมไว้มีเสถียรภาพสูง เพื่อตรวจสอบผลกระทบของโครงสร้างที่มีรูพรุน เครือข่ายตัวนำ และการเคลือบคาร์บอนต่อเสถียรภาพของวัสดุซิลิกอน-คาร์บอน จึงเตรียมวัสดุซิลิกอน-คาร์บอน 2 ประเภทโดยไม่เติม CNT และโดยไม่เคลือบคาร์บอนหลัก

รูปที่ 6 แสดงลักษณะทางสัณฐานวิทยาของผงคาร์บอนไนซ์ของวัสดุคอมโพสิตซิลิกอน-คาร์บอนโดยไม่เติม CNT หลังจากการเคลือบเฟสของเหลวและคาร์บอไนซ์แล้ว จะมองเห็นชั้นเคลือบได้อย่างชัดเจนบนพื้นผิวของอนุภาครอง รูปที่ 6(a) SEM ตามหน้าตัดของวัสดุคาร์บอไนซ์แสดงไว้ในรูปที่ 6(b) การเรียงซ้อนของแผ่นนาโนซิลิกอนมีลักษณะเป็นรูพรุน และการทดสอบ BET คือ 16.6 m2/g อย่างไรก็ตาม เมื่อเปรียบเทียบกับกรณีของ CNT [ดังที่แสดงในรูปที่ 3(d) การทดสอบ BET ของผงคาร์บอไนซ์คือ 22.3 m2/g] ความหนาแน่นของการเรียงซ้อนนาโนซิลิกอนภายในจะสูงกว่า ซึ่งบ่งชี้ว่าการเติม CNT สามารถส่งเสริมการก่อตัวของโครงสร้างที่มีรูพรุนได้ นอกจากนี้ วัสดุนี้ไม่มีเครือข่ายตัวนำสามมิติที่สร้างขึ้นโดย CNT วัสดุคอมโพสิตซิลิกอน-คาร์บอนถูกบันทึกเป็น S2

ลักษณะทางสัณฐานวิทยาของวัสดุคอมโพสิตซิลิกอน-คาร์บอนที่เตรียมโดยการเคลือบคาร์บอนในเฟสแข็งแสดงไว้ในรูปที่ 7 หลังจากการทำให้เป็นคาร์บอนแล้ว จะมีชั้นเคลือบที่ชัดเจนบนพื้นผิว ดังแสดงในรูปที่ 7(a) รูปที่ 7(b) แสดงให้เห็นว่ามีอนุภาคขนาดนาโนที่มีรูปร่างเป็นแถบในส่วนตัดขวาง ซึ่งสอดคล้องกับลักษณะทางสัณฐานวิทยาของแผ่นนาโน การสะสมของแผ่นนาโนจะก่อให้เกิดโครงสร้างที่มีรูพรุน ไม่มีสารตัวเติมที่ชัดเจนบนพื้นผิวของแผ่นนาโนด้านใน ซึ่งบ่งชี้ว่าการเคลือบคาร์บอนในเฟสแข็งจะสร้างชั้นเคลือบคาร์บอนที่มีโครงสร้างที่มีรูพรุนเท่านั้น และไม่มีชั้นเคลือบภายในสำหรับแผ่นนาโนซิลิกอน วัสดุคอมโพสิตซิลิกอน-คาร์บอนนี้ถูกบันทึกเป็น S3

การทดสอบการชาร์จและคายประจุแบบปุ่มเซลล์ครึ่งเซลล์ได้ดำเนินการกับ S2 และ S3 ความจุจำเพาะและประสิทธิภาพครั้งแรกของ S2 คือ 1120.2 mAh/g และ 84.8% ตามลำดับ และความจุจำเพาะและประสิทธิภาพครั้งแรกของ S3 คือ 882.5 mAh/g และ 82.9% ตามลำดับ ความจุจำเพาะและประสิทธิภาพครั้งแรกของตัวอย่าง S3 ที่เคลือบเฟสแข็งนั้นต่ำที่สุด ซึ่งบ่งชี้ว่ามีการเคลือบคาร์บอนของโครงสร้างที่มีรูพรุนเท่านั้น และไม่ได้เคลือบคาร์บอนของแผ่นนาโนซิลิกอนภายใน ซึ่งไม่สามารถให้ประสิทธิภาพจำเพาะของวัสดุที่ใช้ซิลิกอนได้อย่างเต็มที่ และไม่สามารถปกป้องพื้นผิวของวัสดุที่ใช้ซิลิกอนได้ ประสิทธิภาพครั้งแรกของตัวอย่าง S2 ที่ไม่มี CNT นั้นต่ำกว่าของวัสดุคอมโพสิตซิลิกอน-คาร์บอนที่มี CNT เช่นกัน ซึ่งบ่งชี้ว่าบนพื้นฐานของชั้นเคลือบที่ดี เครือข่ายการนำไฟฟ้าและโครงสร้างที่มีรูพรุนในระดับที่สูงกว่านั้นเอื้อต่อการปรับปรุงประสิทธิภาพการชาร์จและคายประจุของวัสดุซิลิกอน-คาร์บอน

วัสดุซิลิกอน-คาร์บอน S1 ถูกนำมาใช้ในการผลิตแบตเตอรี่แบบซอฟต์แพ็กขนาดเล็กเพื่อตรวจสอบประสิทธิภาพอัตราและประสิทธิภาพรอบการทำงาน กราฟอัตราการคายประจุแสดงอยู่ในรูปที่ 8(a) ความจุในการคายประจุของ 0.2C, 0.5C, 1C, 2C และ 3C คือ 2.970, 2.999, 2.920, 2.176 และ 1.021 Ah ตามลำดับ อัตราการคายประจุ 1C สูงถึง 98.3% แต่อัตราการคายประจุ 2C ลดลงเหลือ 73.3% และอัตราการคายประจุ 3C ลดลงอีกเหลือ 34.4% หากต้องการเข้าร่วมกลุ่มแลกเปลี่ยนอิเล็กโทรดลบซิลิกอน โปรดเพิ่ม WeChat: shimobang ในแง่ของอัตราการชาร์จ ความจุในการชาร์จ 0.2C, 0.5C, 1C, 2C และ 3C คือ 3.186, 3.182, 3.081, 2.686 และ 2.289 Ah ตามลำดับ อัตราการชาร์จ 1C คือ 96.7% และอัตราการชาร์จ 2C ยังคงถึง 84.3% อย่างไรก็ตาม เมื่อสังเกตเส้นโค้งการชาร์จในรูปที่ 8(b) แพลตฟอร์มการชาร์จ 2C มีขนาดใหญ่กว่าแพลตฟอร์มการชาร์จ 1C อย่างเห็นได้ชัด และความจุในการชาร์จแรงดันคงที่คิดเป็นส่วนใหญ่ (55%) แสดงให้เห็นว่าการโพลาไรเซชันของแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ 2C นั้นมีขนาดใหญ่มากแล้ว วัสดุซิลิกอน-คาร์บอนมีประสิทธิภาพในการชาร์จและการปล่อยประจุที่ดีที่ 1C แต่ลักษณะโครงสร้างของวัสดุจำเป็นต้องได้รับการปรับปรุงเพิ่มเติมเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพอัตราที่สูงขึ้น ดังที่แสดงในรูปที่ 9 หลังจาก 450 รอบ อัตราการคงความจุอยู่ที่ 78% แสดงถึงประสิทธิภาพรอบที่ดี

สภาพพื้นผิวของอิเล็กโทรดก่อนและหลังวงจรได้รับการตรวจสอบโดย SEM และผลลัพธ์จะแสดงในรูปที่ 10 ก่อนวงจร พื้นผิวของกราไฟท์และวัสดุซิลิกอน-คาร์บอนจะใส [รูปที่ 10(a)] หลังวงจร ชั้นเคลือบจะถูกสร้างขึ้นบนพื้นผิวอย่างชัดเจน [รูปที่ 10(b)] ซึ่งเป็นฟิล์ม SEI หนา ความหยาบของฟิล์ม SEI การใช้ลิเธียมที่ใช้งานอยู่นั้นสูง ซึ่งไม่เอื้อต่อประสิทธิภาพของวงจร ดังนั้น การส่งเสริมการสร้างฟิล์ม SEI ที่เรียบ (เช่น การสร้างฟิล์ม SEI เทียม การเติมสารเติมแต่งอิเล็กโทรไลต์ที่เหมาะสม ฯลฯ) สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของวงจรได้ การสังเกตอนุภาคซิลิกอน-คาร์บอนตามหน้าตัดด้วย SEM หลังจากวงจร [รูปที่ 10(c)] แสดงให้เห็นว่าอนุภาคนาโนซิลิกอนรูปแถบเดิมนั้นหยาบขึ้น และโครงสร้างที่มีรูพรุนได้ถูกกำจัดไปเกือบหมดแล้ว ซึ่งส่วนใหญ่เกิดจากการขยายตัวและหดตัวของปริมาตรอย่างต่อเนื่องของวัสดุซิลิกอน-คาร์บอนในระหว่างวงจร ดังนั้น จำเป็นต้องปรับปรุงโครงสร้างที่มีรูพรุนเพิ่มเติมเพื่อให้มีพื้นที่บัฟเฟอร์เพียงพอสำหรับการขยายตัวของปริมาตรของวัสดุที่ใช้ซิลิกอน

3 บทสรุป

จากการขยายตัวของปริมาตร การนำไฟฟ้าที่ไม่ดี และเสถียรภาพของอินเทอร์เฟซที่ไม่ดีของวัสดุอิเล็กโทรดลบที่เป็นฐานซิลิกอน บทความนี้จึงทำการปรับปรุงอย่างตรงจุด ตั้งแต่การขึ้นรูปรูปร่างของแผ่นนาโนซิลิกอน การสร้างโครงสร้างที่มีรูพรุน การสร้างเครือข่ายการนำไฟฟ้า และการเคลือบคาร์บอนทั้งหมดของอนุภาครองทั้งหมด เพื่อปรับปรุงเสถียรภาพของวัสดุอิเล็กโทรดลบที่เป็นฐานซิลิกอนโดยรวม การสะสมของแผ่นนาโนซิลิกอนสามารถสร้างโครงสร้างที่มีรูพรุนได้ การนำ CNT มาใช้จะส่งเสริมการก่อตัวของโครงสร้างที่มีรูพรุนต่อไป วัสดุคอมโพสิตซิลิกอน-คาร์บอนที่เตรียมโดยการเคลือบเฟสของเหลวมีผลการเคลือบคาร์บอนคู่มากกว่าที่เตรียมโดยการเคลือบเฟสแข็ง และแสดงให้เห็นถึงความจุจำเพาะและประสิทธิภาพครั้งแรกที่สูงกว่า นอกจากนี้ ประสิทธิภาพครั้งแรกของวัสดุคอมโพสิตซิลิกอน-คาร์บอนที่มี CNT จะสูงกว่าประสิทธิภาพครั้งแรกที่ไม่มี CNT ซึ่งส่วนใหญ่เกิดจากความสามารถของโครงสร้างที่มีรูพรุนในระดับที่สูงกว่าในการบรรเทาการขยายตัวของปริมาตรของวัสดุที่เป็นฐานซิลิกอน การนำ CNT มาใช้จะสร้างเครือข่ายการนำไฟฟ้าสามมิติ ปรับปรุงการนำไฟฟ้าของวัสดุที่เป็นฐานซิลิกอน และแสดงประสิทธิภาพอัตราที่ดีที่ 1C และวัสดุแสดงประสิทธิภาพรอบที่ดี อย่างไรก็ตาม โครงสร้างรูพรุนของวัสดุจำเป็นต้องได้รับการเสริมความแข็งแกร่งเพิ่มเติมเพื่อให้มีพื้นที่บัฟเฟอร์เพียงพอสำหรับการขยายตัวของปริมาตรของซิลิกอน และส่งเสริมการสร้างพื้นผิวเรียบและฟิล์ม SEI หนาแน่นเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพวงจรของวัสดุคอมโพสิตซิลิกอน-คาร์บอนให้ดียิ่งขึ้น

นอกจากนี้ เรายังจัดหาผลิตภัณฑ์กราไฟท์และซิลิกอนคาร์ไบด์ที่มีความบริสุทธิ์สูง ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในการประมวลผลเวเฟอร์ เช่น ออกซิเดชัน การแพร่กระจาย และการอบอ่อน

ยินดีต้อนรับลูกค้าทุกท่านจากทั่วทุกมุมโลกที่จะมาเยี่ยมชมเราเพื่อพูดคุยเพิ่มเติม!

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