Pil ityòm-ion yo ap devlope sitou nan direksyon dansite enèji ki wo. Nan tanperati chanm, materyèl elektwòd negatif ki baze sou silikon yo fè alyaj ak ityòm pou pwodui yon pwodui rich an ityòm nan faz Li3.75Si, ak yon kapasite espesifik ki rive jiska 3572 mAh/g, ki pi wo pase kapasite espesifik teyorik elektwòd negatif grafit 372 mAh/g la. Sepandan, pandan pwosesis chaje ak dechaje repete materyèl elektwòd negatif ki baze sou silikon yo, transfòmasyon faz Si ak Li3.75Si ka pwodui yon gwo ekspansyon volim (anviwon 300%), sa ki pral mennen nan poud estriktirèl materyèl elektwòd yo ak fòmasyon kontinyèl fim SEI, epi finalman lakòz kapasite a diminye rapidman. Endistri a sitou amelyore pèfòmans materyèl elektwòd negatif ki baze sou silikon yo ak estabilite pil ki baze sou silikon yo atravè nano-gwosè, kouch kabòn, fòmasyon pò ak lòt teknoloji.
Materyèl kabòn yo gen bon konduktivite, pri ki ba, epi yo gen yon pakèt sous. Yo ka amelyore konduktivite ak estabilite sifas materyèl ki baze sou Silisyòm. Yo pi itilize kòm aditif amelyorasyon pèfòmans pou elektwòd negatif ki baze sou Silisyòm. Materyèl Silisyòm-kabòn yo se direksyon devlopman prensipal elektwòd negatif ki baze sou Silisyòm. Kouch kabòn ka amelyore estabilite sifas materyèl ki baze sou Silisyòm, men kapasite li pou anpeche ekspansyon volim Silisyòm lan se jeneral e li pa ka rezoud pwoblèm ekspansyon volim Silisyòm lan. Se poutèt sa, pou amelyore estabilite materyèl ki baze sou Silisyòm, estrikti pore yo bezwen konstwi. Broyage boul se yon metòd endistriyalize pou prepare nanomateryèl. Diferan aditif oswa konpozan materyèl ka ajoute nan sispansyon ki jwenn pa broyage boul la dapre egzijans konsepsyon materyèl konpoze a. Sispansyon an gaye respire nan divès sispansyon epi li seche pa espre. Pandan pwosesis siye enstantane a, nanopartikil yo ak lòt konpozan nan sispansyon an pral fòme espontane karakteristik estriktirèl pore. Atik sa a itilize teknoloji broyage boul ak siye pa espre endistriyalize ak ekolojik pou prepare materyèl ki baze sou Silisyòm pore.
Pèfòmans materyèl ki baze sou Silisyòm kapab amelyore tou lè yo reglemante karakteristik mòfoloji ak distribisyon nanomateryèl Silisyòm yo. Kounye a, yo te prepare materyèl ki baze sou Silisyòm ak divès mòfoloji ak karakteristik distribisyon, tankou nanorod Silisyòm, nanosilikòn grafit pore entegre, nanosilikòn distribye nan esfè kabòn, estrikti pore etalaj Silisyòm/grafèn, elatriye. Nan menm echèl la, konpare ak nanopartikil yo, nanofèy yo ka pi byen siprime pwoblèm kraze ki koze pa ekspansyon volim nan, epi materyèl la gen yon dansite konpaksyon ki pi wo. Anpileman dezòdone nanofèy yo kapab fòme tou yon estrikti pore. Pou rantre nan gwoup echanj elektwòd negatif Silisyòm nan. Bay yon espas tanpon pou ekspansyon volim materyèl Silisyòm yo. Entwodiksyon nanotub kabòn (CNT) yo pa sèlman ka amelyore konduktivite materyèl la, men tou ankouraje fòmasyon estrikti pore nan materyèl la akòz karakteristik mòfolojik inidimansyonèl li yo. Pa gen okenn rapò sou estrikti pore ki konstwi pa nanofèy Silisyòm ak CNT. Atik sa a adopte metòd fraisage boul, fanm k'ap pile ak dispèsyon, siye pa espre, pre-kouvri kabòn ak kalsinasyon ki aplikab endistriyèlman, epi li prezante pwomotè pore nan pwosesis preparasyon an pou prepare materyèl elektwòd negatif ki baze sou silikon pore ki fòme pa oto-asanblaj nanosheets silikon ak CNT. Pwosesis preparasyon an senp, li respekte anviwònman an, epi pa gen okenn likid dechè oswa rezidi dechè ki pwodui. Gen anpil rapò literati sou kouch kabòn nan materyèl ki baze sou silikon, men gen kèk diskisyon apwofondi sou efè kouch la. Atik sa a itilize asfalt kòm sous kabòn pou envestige efè de metòd kouch kabòn, kouch faz likid ak kouch faz solid, sou efè kouch la ak pèfòmans materyèl elektwòd negatif ki baze sou silikon.
1 Eksperyans
1.1 Preparasyon materyèl
Preparasyon materyèl konpoze silikon-kabòn pore yo gen ladan sitou senk etap: broyaj boul, fanm k'ap pile ak dispèsyon, siye pa espre, pre-kouvri kabòn ak karbonizasyon. Premyèman, peze 500 g poud silikon inisyal (domestik, pite 99.99%), ajoute 2000 g izopropanol, epi fè broyaj boul mouye nan yon vitès broyaj boul 2000 r/min pandan 24 èdtan pou jwenn yon sispansyon silikon nano-echèl. Sispansyon silikon ki jwenn nan transfere nan yon tank transfè dispèsyon, epi materyèl yo ajoute selon rapò mas silikon: grafit (pwodui nan Shanghai, klas batri): nanotub kabòn (pwodui nan Tianjin, klas batri): polivinil pirolidòn (pwodui nan Tianjin, klas analitik) = 40:60:1.5:2. Izopropanol itilize pou ajiste kontni solid la, epi kontni solid la fèt pou 15%. Broyaj ak dispèsyon fèt nan yon vitès dispèsyon 3500 r/min pandan 4 èdtan. Yo konpare yon lòt gwoup melanj san ajoute CNT, epi lòt materyèl yo se menm bagay la. Lè sa a, yo transfere melanj dispèse yo jwenn nan yon tank alimantasyon pou siye pa espre, epi yo fè siye pa espre nan yon atmosfè pwoteje ak nitwojèn, ak tanperati antre ak sòti yo ki se 180 ak 90 °C, respektivman. Apre sa, yo konpare de kalite kouch kabòn, kouch faz solid ak kouch faz likid. Metòd kouch faz solid la se: yo melanje poud seche pa espre a ak 20% poud asfalt (ki fèt nan Kore di, D50 se 5 μm), yo melanje l nan yon mixer mekanik pandan 10 minit, epi vitès melanj lan se 2000 r/min pou jwenn poud pre-kouvri. Metòd kouch faz likid la se: yo ajoute poud seche pa espre a nan yon solisyon ksilèn (ki fèt nan Tianjin, klas analitik) ki gen 20% asfalt ki fonn nan poud lan nan yon kontni solid 55%, epi yo brase l respire anba vakyòm. Kwit nan yon fou vakyòm a 85 ℃ pandan 4 èdtan, mete l nan yon mixer mekanik pou melanje, vitès melanj lan se 2000 r/min, epi tan melanj lan se 10 minit pou jwenn poud pre-kouvri a. Finalman, poud pre-kouvri a te kalsine nan yon fou rotary anba yon atmosfè nitwojèn nan yon vitès chofaj 5 °C/min. Li te premye kenbe nan yon tanperati konstan 550 °C pandan 2 èdtan, answit kontinye chofe li jiska 800 °C epi kenbe nan yon tanperati konstan pandan 2 èdtan, epi answit refwadi natirèlman anba 100 °C epi dechaje pou jwenn yon materyèl konpoze silikon-kabòn.
1.2 Metòd karakterizasyon
Yo te analize distribisyon gwosè patikil materyèl la lè l sèvi avèk yon aparèy pou mezire gwosè patikil (vèsyon Mastersizer 2000, fabrike nan Wayòm Ini a). Yo te teste poud yo jwenn nan chak etap pa mikwoskòp elektwonik optik (Regulus8220, fabrike nan Japon) pou egzamine mòfoloji ak gwosè poud yo. Yo te analize estrikti faz materyèl la lè l sèvi avèk yon analizè difraksyon poud reyon X (D8 ADVANCE, fabrike nan Almay), epi yo te analize konpozisyon elemantè materyèl la lè l sèvi avèk yon analizè spectre enèji. Yo te itilize materyèl konpoze silikon-kabòn yo te jwenn nan pou fè yon demi-pil bouton modèl CR2032, epi rapò mas silikon-kabòn: SP: CNT: CMC: SBR te 92:2:2:1.5:2.5. Kont elektwòd la se yon fèy metal ityòm, elektwolit la se yon elektwolit komèsyal (modèl 1901, fèt nan Kore), yo itilize dyafram Celgard 2320, ranje vòltaj chaj ak egzeyat la se 0.005-1.5 V, kouran chaj ak egzeyat la se 0.1 C (1C = 1A), epi kouran koupe egzeyat la se 0.05 C.
Pou yo te ka plis envestige pèfòmans materyèl konpoze silikon-kabòn yo, yo te fabrike yon ti pil mou laminated 408595. Elektwòd pozitif la itilize NCM811 (ki fèt nan Hunan, kalite batri), epi grafit elektwòd negatif la dope ak 8% materyèl silikon-kabòn. Fòmil melanj elektwòd pozitif la se 96% NCM811, 1.2% fliyò polivinilidèn (PVDF), 2% ajan kondiktif SP, 0.8% CNT, epi yo itilize NMP kòm yon dispèsan; fòmil melanj elektwòd negatif la se 96% materyèl konpoze elektwòd negatif, 1.3% CMC, 1.5% SBR 1.2% CNT, epi yo itilize dlo kòm yon dispèsan. Apre yo fin brase, kouvri, woule, koupe, laminasyon, soude tab, anbalaj, boulanjri, enjeksyon likid, fòmasyon ak divizyon kapasite, yo te prepare 408595 ti pil mou laminated ak yon kapasite nominal 3 Ah. Yo te teste pèfòmans vitès 0.2C, 0.5C, 1C, 2C ak 3C ansanm ak pèfòmans sik chaj 0.5C ak egzeyat 1C. Vòltaj chaj ak egzeyat la te ant 2.8 ak 4.2 V, kouran konstan ak chaj vòltaj konstan, epi kouran koupe a te 0.5C.
2 Rezilta ak Diskisyon
Yo te obsève poud silikon inisyal la pa mikwoskòp elektwonik optik (SEM). Poud silikon an te gen yon grenn iregilye ak yon gwosè patikil mwens pase 2μm, jan yo montre nan Figi 1(a). Apre broyaj boul la, gwosè poud silikon an te siyifikativman redwi a anviwon 100 nm [Figi 1(b)]. Tès gwosè patikil la te montre ke D50 poud silikon an apre broyaj boul la te 110 nm epi D90 a te 175 nm. Yon egzamen atansyon sou mòfoloji poud silikon an apre broyaj boul la montre yon estrikti ki flokonnen (fòmasyon estrikti ki flokonnen an pral verifye plis nan SEM kwa-seksyonèl la pita). Se poutèt sa, done D90 yo jwenn nan tès gwosè patikil la ta dwe dimansyon longè nanofèy la. Konbine avèk rezilta SEM yo, yo ka jije ke gwosè nanofèy ki jwenn nan pi piti pase valè kritik 150 nm nan kraze poud silikon an pandan chaje ak dechaje nan omwen yon dimansyon. Fòmasyon mòfoloji flokon an sitou akòz diferan enèji disosyasyon plan kristal silikon kristalin yo, pami yo plan {111} silikon an gen yon enèji disosyasyon ki pi ba pase plan kristal {100} ak {110} yo. Se poutèt sa, plan kristal sa a pi fasil pou li vin mens pa broyaj boul, epi finalman li fòme yon estrikti flokon. Estrikti flokon an fezab pou akimilasyon estrikti ki lach, rezève espas pou ekspansyon volim silikon an, epi amelyore estabilite materyèl la.
Yo te flite sispansyon ki gen nano-silikon, CNT ak grafit la, epi yo te egzamine poud lan anvan ak apre flite a pa SEM. Rezilta yo montre nan Figi 2. Matris grafit ki te ajoute anvan flite a se yon estrikti flokon tipik ak yon gwosè 5 a 20 μm [Figi 2(a)]. Tès distribisyon gwosè patikil grafit la montre ke D50 se 15μm. Poud ki jwenn apre flite a gen yon mòfoloji esferik [Figi 2(b)], epi yo ka wè ke grafit la kouvri pa kouch la apre flite a. D50 poud lan apre flite a se 26.2 μm. Yo te obsève karakteristik mòfolojik patikil segondè yo pa SEM, ki montre karakteristik yon estrikti pore ki lach akimile pa nanomateryèl [Figi 2(c)]. Estrikti pore a konpoze de fèy nano silikon ak CNT ki mele youn ak lòt [Figi 2(d)], epi sifas espesifik tès la (BET) rive jiska 53.3 m2/g. Se poutèt sa, apre yo fin flite, nanosheets silikon ak CNT yo reyini tèt yo pou fòme yon estrikti pore.
Yo te trete kouch pore a ak yon kouch kabòn likid, epi apre yo te fin ajoute goudwon prekisè kouch kabòn nan epi karbonizasyon, yo te fè obsèvasyon SEM. Rezilta yo montre nan Figi 3. Apre pre-kouch kabòn nan, sifas patikil segondè yo vin lis, ak yon kouch kouch vizib, epi kouch la konplè, jan yo montre nan Figi 3(a) ak (b). Apre karbonizasyon, kouch kouch sifas la kenbe yon bon eta kouch [Figi 3(c)]. Anplis de sa, imaj SEM kwa-seksyonèl la montre nanopartikil ki gen fòm bann [Figi 3(d)], ki koresponn ak karakteristik mòfolojik nanofèy yo, sa ki verifye plis fòmasyon nanofèy silikon apre broyaj boul. Anplis de sa, Figi 3(d) montre ke gen materyèl ranpli ant kèk nanofèy. Sa a se sitou akòz itilizasyon metòd kouch faz likid la. Solisyon asfalt la ap penetre nan materyèl la, pou sifas nanofèy silikon entèn yo jwenn yon kouch pwoteksyon kouch kabòn. Se poutèt sa, lè yo itilize kouch faz likid, anplis de jwenn efè kouch patikil segondè a, yo ka jwenn tou efè doub kouch kabòn nan kouch patikil prensipal la. BET te teste poud kabonize a, epi rezilta tès la te 22.3 m2/g.
Poud kabonize a te sibi yon analiz spectre enèji kwa-seksyonèl (EDS), epi rezilta yo montre nan Figi 4(a). Nwayo ki gen gwosè mikwon an se yon konpozan C, ki koresponn ak matris grafit la, epi kouch ekstèn lan gen silikon ak oksijèn. Pou envestige plis estrikti silikon an, yo te fè yon tès difraksyon reyon X (XRD), epi rezilta yo montre nan Figi 4(b). Materyèl la konpoze sitou de grafit ak silikon monokristal, san okenn karakteristik oksid silikon evidan, sa ki endike ke konpozan oksijèn nan tès spectre enèji a soti sitou nan oksidasyon natirèl sifas silikon an. Materyèl konpoze silikon-kabòn nan anrejistre kòm S1.
Materyèl silikon-kabòn S1 ki te prepare a te sibi pwodiksyon demi-selil tip bouton ak tès chaj-dechaj. Premye koub chaj-dechaj la montre nan Figi 5. Kapasite espesifik revèsib la se 1000.8 mAh/g, epi efikasite premye sik la rive jiska 93.9%, ki pi wo pase premye efikasite pifò materyèl ki baze sou silikon san pre-lityasyon yo rapòte nan literati a. Premye efikasite ki wo a endike ke materyèl konpoze silikon-kabòn ki prepare a gen yon gwo estabilite. Pou verifye efè estrikti pore, rezo kondiktif ak kouch kabòn sou estabilite materyèl silikon-kabòn yo, de kalite materyèl silikon-kabòn te prepare san ajoute CNT e san kouch kabòn prensipal.
Mòfoloji poud kabonize materyèl konpoze silikon-kabòn san ajoute CNT yo montre nan Figi 6. Apre kouch faz likid ak karbonizasyon, yon kouch kouch ka byen vizib sou sifas patikil segondè yo nan Figi 6(a). SEM kwa-seksyonèl materyèl kabonize a montre nan Figi 6(b). Anpileman nanofèy silikon yo gen karakteristik pore, epi tès BET la se 16.6 m2/g. Sepandan, konpare ak ka a ak CNT [jan yo montre nan Figi 3(d), tès BET poud kabonize li a se 22.3 m2/g], dansite anpileman nano-silikon entèn lan pi wo, sa ki endike ke adisyon CNT ka ankouraje fòmasyon yon estrikti pore. Anplis de sa, materyèl la pa gen yon rezo kondiktif twa dimansyon konstwi pa CNT. Materyèl konpoze silikon-kabòn lan anrejistre kòm S2.
Karakteristik mòfolojik materyèl konpoze silikon-kabòn ki prepare pa kouch kabòn faz solid yo montre nan Figi 7. Apre karbonizasyon an, gen yon kouch kouch evidan sou sifas la, jan yo montre nan Figi 7(a). Figi 7(b) montre ke gen nanopartikil ki gen fòm bann nan seksyon kwa a, ki koresponn ak karakteristik mòfolojik nanofèy yo. Akimilasyon nanofèy yo fòme yon estrikti pore. Pa gen okenn ranpli evidan sou sifas nanofèy entèn yo, sa ki endike ke kouch kabòn faz solid la sèlman fòme yon kouch kouch kabòn ak yon estrikti pore, epi pa gen okenn kouch kouch entèn pou nanofèy silikon yo. Materyèl konpoze silikon-kabòn sa a anrejistre kòm S3.
Yo te fè tès chaj ak dechaj demi-selil bouton-tip sou S2 ak S3. Kapasite espesifik ak premye efikasite S2 a te 1120.2 mAh/g ak 84.8% respektivman, epi kapasite espesifik ak premye efikasite S3 a te 882.5 mAh/g ak 82.9% respektivman. Kapasite espesifik ak premye efikasite echantiyon S3 ki te kouvri ak faz solid la te pi ba yo, sa ki endike ke se sèlman kouch kabòn nan estrikti pore a ki te fèt, epi kouch kabòn nano-fèy silikon entèn yo pa te fèt, sa ki pa t kapab bay tout kapasite espesifik materyèl ki baze sou silikon an epi li pa t kapab pwoteje sifas materyèl ki baze sou silikon an. Premye efikasite echantiyon S2 san CNT a te pi ba tou pase sa materyèl konpoze silikon-kabòn ki gen CNT ladan l, sa ki endike ke sou baz yon bon kouch kouch, rezo kondiktif la ak yon pi gwo degre estrikti pore yo fezab nan amelyorasyon efikasite chaj ak dechaj materyèl silikon-kabòn nan.
Yo te itilize materyèl silikon-kabòn S1 la pou fè yon ti batri mou-konplè pou egzamine pèfòmans vitès la ak pèfòmans sik la. Koub vitès dechaj la montre nan Figi 8(a). Kapasite dechaj 0.2C, 0.5C, 1C, 2C ak 3C yo se 2.970, 2.999, 2.920, 2.176 ak 1.021 Ah, respektivman. Vitès dechaj 1C a rive jiska 98.3%, men vitès dechaj 2C a desann a 73.3%, epi vitès dechaj 3C a desann pi lwen toujou a 34.4%. Pou rantre nan gwoup echanj elektwòd negatif silikon an, tanpri ajoute WeChat: shimobang. An tèm de vitès chaj, kapasite chaj 0.2C, 0.5C, 1C, 2C ak 3C yo se 3.186, 3.182, 3.081, 2.686 ak 2.289 Ah, respektivman. To chaj 1C a se 96.7%, epi to chaj 2C a toujou rive nan 84.3%. Sepandan, lè nou obsève koub chaj la nan Figi 8(b), platfòm chaj 2C a siyifikativman pi gwo pase platfòm chaj 1C a, epi kapasite chaj vòltaj konstan li a reprezante pi fò a (55%), sa ki endike ke polarizasyon batri rechargeable 2C a deja trè gwo. Materyèl silikon-kabòn nan gen bon pèfòmans chaj ak dechaj nan 1C, men karakteristik estriktirèl materyèl la bezwen amelyore plis pou reyalize yon pèfòmans ki pi wo. Jan yo montre nan Figi 9, apre 450 sik, to retansyon kapasite a se 78%, sa ki montre yon bon pèfòmans sik.
Yo te envestige eta sifas elektwòd la anvan ak apre sik la pa SEM, epi rezilta yo montre nan Figi 10. Anvan sik la, sifas grafit ak materyèl silikon-kabòn yo klè [Figi 10(a)]; apre sik la, yon kouch kouch evidamman pwodui sou sifas la [Figi 10(b)], ki se yon fim SEI epè. Asperité fim SEI Konsomasyon ityòm aktif la wo, sa ki pa fezab pou pèfòmans sik la. Se poutèt sa, ankouraje fòmasyon yon fim SEI lis (tankou konstriksyon fim SEI atifisyèl, ajoute aditif elektwolit apwopriye, elatriye) ka amelyore pèfòmans sik la. Obsèvasyon SEM kwa-seksyonèl patikil silikon-kabòn yo apre sik la [Figi 10(c)] montre ke nanopartikil silikon orijinal ki gen fòm bann yo vin pi koryas epi estrikti pore a te fondamantalman elimine. Sa a se sitou akòz ekspansyon ak kontraksyon volim kontinyèl materyèl silikon-kabòn nan pandan sik la. Se poutèt sa, estrikti pore a bezwen amelyore plis pou bay ase espas tanpon pou ekspansyon volim materyèl ki baze sou silikon an.
3 Konklizyon
Baze sou ekspansyon volim, pòv konduktivite ak pòv estabilite entèfas materyèl elektwòd negatif ki baze sou Silisyòm, atik sa a fè amelyorasyon siblé, soti nan fòmasyon mòfoloji nanofèy Silisyòm yo, konstriksyon estrikti pore, konstriksyon rezo kondiktif ak kouch kabòn konplè sou tout patikil segondè yo, pou amelyore estabilite materyèl elektwòd negatif ki baze sou Silisyòm an antye. Akimilasyon nanofèy Silisyòm yo ka fòme yon estrikti pore. Entwodiksyon CNT a pral plis ankouraje fòmasyon yon estrikti pore. Materyèl konpoze Silisyòm-kabòn ki prepare pa kouch faz likid la gen yon efè doub kouch kabòn pase sa ki prepare pa kouch faz solid, epi li montre pi gwo kapasite espesifik ak premye efikasite. Anplis de sa, premye efikasite materyèl konpoze Silisyòm-kabòn ki gen CNT a pi wo pase sa ki pa gen CNT, ki se sitou akòz pi gwo degre kapasite estrikti pore a pou soulaje ekspansyon volim materyèl ki baze sou Silisyòm. Entwodiksyon CNT a pral konstwi yon rezo kondiktif twa dimansyon, amelyore konduktivite materyèl ki baze sou Silisyòm yo, epi montre bon pèfòmans vitès nan 1C; epi materyèl la montre bon pèfòmans sik. Sepandan, estrikti pore materyèl la bezwen ranfòse plis toujou pou bay ase espas tanpon pou ekspansyon volim silikon an, epi ankouraje fòmasyon yon sifas lis.ak yon fim SEI dans pou amelyore pèfòmans sik materyèl konpoze silikon-kabòn nan.
Nou bay tou pwodwi grafit ak carbure Silisyòm ki gen gwo pite, ki lajman itilize nan pwosesis wafer tankou oksidasyon, difizyon, ak rekwi.
Byenveni nenpòt kliyan ki soti toupatou nan mond lan pou vizite nou pou yon diskisyon pi lwen!
https://www.vet-china.com/
Dat piblikasyon: 13 novanm 2024