Baterei lithium-ion utamane berkembang ing arah kapadhetan energi sing dhuwur. Ing suhu ruangan, bahan elektroda negatif berbasis silikon dicampur karo litium kanggo ngasilake produk sing sugih litium fase Li3.75Si, kanthi kapasitas spesifik nganti 3572 mAh/g, sing luwih dhuwur tinimbang kapasitas spesifik teoritis elektroda negatif grafit 372 mAh/g. Nanging, sajrone proses pengisian lan pengosongan bola-bali bahan elektroda negatif berbasis silikon, transformasi fase Si lan Li3.75Si bisa ngasilake ekspansi volume sing gedhe (udakara 300%), sing bakal nyebabake bubuk struktural bahan elektroda lan pembentukan film SEI sing terus-terusan, lan pungkasane nyebabake kapasitas mudhun kanthi cepet. Industri iki utamane ningkatake kinerja bahan elektroda negatif berbasis silikon lan stabilitas baterai berbasis silikon liwat nano-sizing, lapisan karbon, pembentukan pori lan teknologi liyane.
Bahan karbon nduweni konduktivitas sing apik, biaya murah, lan sumber sing akeh. Bahan kasebut bisa ningkatake konduktivitas lan stabilitas permukaan bahan berbasis silikon. Bahan kasebut luwih disenengi digunakake minangka aditif peningkatan kinerja kanggo elektroda negatif berbasis silikon. Bahan silikon-karbon minangka arah pangembangan utama elektroda negatif berbasis silikon. Lapisan karbon bisa ningkatake stabilitas permukaan bahan berbasis silikon, nanging kemampuane kanggo nyegah ekspansi volume silikon umum lan ora bisa ngatasi masalah ekspansi volume silikon. Mulane, kanggo ningkatake stabilitas bahan berbasis silikon, struktur keropos kudu dibangun. Penggilingan bal minangka metode industri kanggo nyiapake nanomaterial. Aditif utawa komponen bahan sing beda bisa ditambahake ing bubur sing dipikolehi kanthi penggilingan bal miturut syarat desain bahan komposit. Bubur kasebut disebarake kanthi rata liwat macem-macem bubur lan dikeringake nganggo semprotan. Sajrone proses pengeringan cepet, nanopartikel lan komponen liyane ing bubur bakal kanthi spontan mbentuk karakteristik struktural keropos. Makalah iki nggunakake teknologi penggilingan bal lan pengeringan semprotan industri lan ramah lingkungan kanggo nyiyapake bahan berbasis silikon keropos.
Kinerja bahan berbasis silikon uga bisa ditingkatake kanthi ngatur morfologi lan karakteristik distribusi nanomaterial silikon. Saiki, bahan berbasis silikon kanthi macem-macem morfologi lan karakteristik distribusi wis disiapake, kayata nanorod silikon, nanosilikon sing dipasang grafit berpori, nanosilikon sing disebar ing bola karbon, struktur berpori susunan silikon/grafena, lan liya-liyane. Ing skala sing padha, dibandhingake karo nanopartikel, nanosheet bisa nyuda masalah penghancuran sing disebabake dening ekspansi volume, lan bahan kasebut duwe kapadhetan pemadatan sing luwih dhuwur. Susunan nanosheet sing ora teratur uga bisa mbentuk struktur berpori. Kanggo gabung karo klompok ijol-ijolan elektroda negatif silikon. Nyedhiyakake ruang buffer kanggo ekspansi volume bahan silikon. Pengenalan tabung nano karbon (CNT) ora mung bisa ningkatake konduktivitas bahan, nanging uga ningkatake pembentukan struktur berpori bahan amarga karakteristik morfologis siji dimensi. Ora ana laporan babagan struktur berpori sing dibangun dening nanosheet silikon lan CNT. Makalah iki nggunakake metode penggilingan bal, penggilingan lan dispersi, pengeringan semprot, pra-lapisan karbon, lan kalsinasi sing bisa ditrapake ing industri, lan ngenalake promotor berpori ing proses persiapan kanggo nyiyapake bahan elektroda negatif berbasis silikon berpori sing dibentuk kanthi perakitan mandiri nanosheet silikon lan CNT. Proses persiapane prasaja, ramah lingkungan, lan ora ana limbah cair utawa residu limbah sing diasilake. Ana akeh laporan literatur babagan lapisan karbon bahan berbasis silikon, nanging ana sawetara diskusi sing jero babagan efek lapisan. Makalah iki nggunakake aspal minangka sumber karbon kanggo nyelidiki efek saka rong metode lapisan karbon, lapisan fase cair lan lapisan fase padat, ing efek lapisan lan kinerja bahan elektroda negatif berbasis silikon.
1 Eksperimen
1.1 Persiapan materi
Persiapan bahan komposit silikon-karbon berpori utamane kalebu limang langkah: penggilingan bal, penggilingan lan dispersi, pengeringan semprot, pra-lapisan karbon lan karbonisasi. Kapisan, bobot 500 g bubuk silikon awal (domestik, kemurnian 99,99%), tambahake 2000 g isopropanol, lan tindakake penggilingan bal teles kanthi kecepatan penggilingan bal 2000 r/menit sajrone 24 jam kanggo entuk bubur silikon skala nano. Bubur silikon sing dipikolehi ditransfer menyang tangki transfer dispersi, lan bahan ditambahake miturut rasio massa silikon: grafit (diprodhuksi ing Shanghai, kelas baterei): tabung nano karbon (diprodhuksi ing Tianjin, kelas baterei): polivinil pirolidon (diprodhuksi ing Tianjin, kelas analitis) = 40:60:1,5:2. Isopropanol digunakake kanggo nyetel isi padat, lan isi padat dirancang dadi 15%. Penggilingan lan dispersi ditindakake kanthi kecepatan dispersi 3500 r/menit sajrone 4 jam. Klompok bubur liyane tanpa nambahake CNT dibandhingake, lan bahan liyane padha. Bubur sing kasebar banjur dipindhah menyang tangki pangisian pengeringan semprot, lan pengeringan semprot ditindakake ing atmosfer sing dilindhungi nitrogen, kanthi suhu mlebu lan metu yaiku 180 lan 90 °C. Banjur rong jinis lapisan karbon dibandhingake, lapisan fase padat lan lapisan fase cair. Cara lapisan fase padat yaiku: bubuk sing dikeringake semprot dicampur karo bubuk aspal 20% (digawe ing Korea, D50 yaiku 5 μm), dicampur ing mixer mekanik sajrone 10 menit, lan kecepatan pencampuran yaiku 2000 r/min kanggo entuk bubuk sing wis dilapisi. Cara lapisan fase cair yaiku: bubuk sing dikeringake semprot ditambahake menyang larutan xilena (digawe ing Tianjin, kelas analitis) sing ngemot 20% aspal sing larut ing bubuk kanthi kandungan padat 55%, lan diaduk kanthi vakum kanthi rata. Panggang ing oven vakum ing suhu 85℃ suwene 4 jam, lebokake ing mixer mekanik kanggo nyampur, kecepatan nyampur yaiku 2000 r/menit, lan wektu nyampur yaiku 10 menit kanggo entuk bubuk sing wis dilapisi. Pungkasan, bubuk sing wis dilapisi dikalsinasi ing kiln putar ing atmosfer nitrogen kanthi tingkat pemanasan 5°C/menit. Pisanan dijaga ing suhu konstan 550°C suwene 2 jam, banjur terus dipanasake nganti 800°C lan dijaga ing suhu konstan suwene 2 jam, banjur didinginkan kanthi alami nganti ngisor 100°C lan dibuwang kanggo entuk bahan komposit silikon-karbon.
1.2 Cara karakterisasi
Distribusi ukuran partikel materi dianalisis nggunakake alat penguji ukuran partikel (Mastersizer versi 2000, digawe ing Inggris). Bubuk sing dipikolehi ing saben langkah diuji kanthi mikroskop elektron pindai (Regulus8220, digawe ing Jepang) kanggo mriksa morfologi lan ukuran bubuk. Struktur fase materi dianalisis nggunakake penganalisis difraksi bubuk sinar-X (D8 ADVANCE, digawe ing Jerman), lan komposisi unsur materi dianalisis nggunakake penganalisis spektrum energi. Bahan komposit silikon-karbon sing dipikolehi digunakake kanggo nggawe setengah sel tombol model CR2032, lan rasio massa silikon-karbon: SP: CNT: CMC: SBR yaiku 92:2:2:1.5:2.5. Elektroda lawan digawe saka lembaran litium logam, elektrolit kasebut minangka elektrolit komersial (model 1901, digawe ing Korea), diafragma Celgard 2320 digunakake, kisaran voltase pangisian lan debit yaiku 0,005-1,5 V, arus pangisian lan debit yaiku 0,1 C (1C = 1A), lan arus pemutus debit yaiku 0,05 C.
Kanggo nyelidiki luwih lanjut kinerja bahan komposit silikon-karbon, baterei paket alus cilik laminasi 408595 digawe. Elektroda positif nggunakake NCM811 (digawe ing Hunan, kelas baterei), lan grafit elektroda negatif didoping karo 8% bahan silikon-karbon. Formula bubur elektroda positif yaiku 96% NCM811, 1,2% polivinilidena fluorida (PVDF), 2% agen konduktif SP, 0,8% CNT, lan NMP digunakake minangka dispersan; formula bubur elektroda negatif yaiku 96% bahan elektroda negatif komposit, 1,3% CMC, 1,5% SBR 1,2% CNT, lan banyu digunakake minangka dispersan. Sawise diaduk, dilapisi, digulung, dipotong, laminasi, dilas tab, dikemas, dipanggang, injeksi cairan, pembentukan lan divisi kapasitas, baterei paket alus cilik laminasi 408595 kanthi kapasitas nominal 3 Ah disiapake. Kinerja laju 0.2C, 0.5C, 1C, 2C lan 3C sarta kinerja siklus pangisian lan debit 0.5C wis diuji. Rentang voltase pangisian lan debit yaiku 2.8-4.2 V, arus konstan lan voltase pangisian konstan, lan arus cut-off yaiku 0.5C.
2 Asil lan Diskusi
Bubuk silikon awal diamati nganggo mikroskop elektron pindai (SEM). Bubuk silikon kasebut granular ora teratur kanthi ukuran partikel kurang saka 2μm, kaya sing dituduhake ing Gambar 1(a). Sawise panggilingan bal, ukuran bubuk silikon mudhun sacara signifikan dadi udakara 100 nm [Gambar 1(b)]. Tes ukuran partikel nuduhake yen D50 bubuk silikon sawise panggilingan bal yaiku 110 nm lan D90 yaiku 175 nm. Pamriksaan morfologi bubuk silikon sing ati-ati sawise panggilingan bal nuduhake struktur sing rapuh (pembentukan struktur sing rapuh bakal diverifikasi luwih lanjut saka SEM penampang melintang mengko). Mulane, data D90 sing dipikolehi saka tes ukuran partikel kudu dadi dimensi dawa nanosheet. Digabungake karo asil SEM, bisa diadili yen ukuran nanosheet sing dipikolehi luwih cilik tinimbang nilai kritis 150 nm saka kerusakan bubuk silikon sajrone ngisi daya lan ngosongake daya ing paling ora siji dimensi. Pembentukan morfologi serpihan utamane amarga energi disosiasi sing beda saka bidang kristal silikon kristal, ing antarane bidang {111} silikon duwe energi disosiasi sing luwih murah tinimbang bidang kristal {100} lan {110}. Mulane, bidang kristal iki luwih gampang diencerake dening ball milling, lan pungkasane mbentuk struktur serpihan. Struktur serpihan iki kondusif kanggo akumulasi struktur sing longgar, nyimpen ruang kanggo ekspansi volume silikon, lan nambah stabilitas materi.
Bubur sing ngandhut nano-silikon, CNT, lan grafit disemprotake, lan bubuk sadurunge lan sawise disemprotake ditliti nganggo SEM. Asil kasebut dituduhake ing Gambar 2. Matriks grafit sing ditambahake sadurunge disemprotake minangka struktur serpihan khas kanthi ukuran 5 nganti 20 μm [Gambar 2(a)]. Tes distribusi ukuran partikel grafit nuduhake yen D50 yaiku 15μm. Bubuk sing dipikolehi sawise disemprotake nduweni morfologi bola [Gambar 2(b)], lan bisa dideleng yen grafit dilapisi dening lapisan lapisan sawise disemprotake. D50 bubuk sawise disemprotake yaiku 26,2 μm. Karakteristik morfologis partikel sekunder diamati nganggo SEM, nuduhake karakteristik struktur keropos longgar sing dikumpulake dening nanomaterial [Gambar 2(c)]. Struktur keropos kasusun saka nanosheet silikon lan CNT sing saling terkait [Gambar 2(d)], lan area permukaan spesifik uji (BET) dhuwure nganti 53,3 m2/g. Mulane, sawise disemprotake, nanosheet silikon lan CNT nglumpuk dhewe kanggo mbentuk struktur keropos.
Lapisan keropos kasebut diolah nganggo lapisan karbon cair, lan sawise nambahake pitch prekursor lapisan karbon lan karbonisasi, pengamatan SEM ditindakake. Asil kasebut dituduhake ing Gambar 3. Sawise pra-lapisan karbon, permukaan partikel sekunder dadi alus, kanthi lapisan lapisan sing jelas, lan lapisan kasebut rampung, kaya sing dituduhake ing Gambar 3(a) lan (b). Sawise karbonisasi, lapisan lapisan permukaan njaga kahanan lapisan sing apik [Gambar 3(c)]. Kajaba iku, gambar SEM penampang melintang nuduhake nanopartikel berbentuk strip [Gambar 3(d)], sing cocog karo karakteristik morfologi nanosheet, luwih lanjut verifikasi pembentukan nanosheet silikon sawise ball milling. Kajaba iku, Gambar 3(d) nuduhake yen ana pengisi ing antarane sawetara nanosheet. Iki utamane amarga panggunaan metode lapisan fase cair. Larutan aspal bakal nembus menyang materi, saengga permukaan nanosheet silikon internal entuk lapisan pelindung lapisan karbon. Mulane, kanthi nggunakake lapisan fase cair, saliyane entuk efek lapisan partikel sekunder, efek lapisan karbon ganda saka lapisan partikel primer uga bisa dipikolehi. Bubuk sing dikarbonisasi diuji nganggo BET, lan asil tes kasebut yaiku 22,3 m2/g.
Bubuk sing dikarbonisasi iki diuji nganggo analisis spektrum energi penampang melintang (EDS), lan asilé dituduhake ing Gambar 4(a). Inti sing ukurané mikron yaiku komponen C, sing cocog karo matriks grafit, lan lapisan njaba ngandhut silikon lan oksigen. Kanggo nyelidiki luwih lanjut struktur silikon, uji difraksi sinar-X (XRD) ditindakake, lan asilé dituduhake ing Gambar 4(b). Materi iki utamane kasusun saka grafit lan silikon kristal tunggal, tanpa karakteristik silikon oksida sing jelas, sing nuduhake yen komponen oksigen saka uji spektrum energi utamane asale saka oksidasi alami permukaan silikon. Materi komposit silikon-karbon dicathet minangka S1.
Bahan silikon-karbon sing wis disiapake S1 ditindakake kanggo produksi setengah sel tipe tombol lan uji coba muatan-pengosongan. Kurva muatan-pengosongan pertama dituduhake ing Gambar 5. Kapasitas spesifik sing bisa dibalik yaiku 1000,8 mAh/g, lan efisiensi siklus pertama nganti 93,9%, sing luwih dhuwur tinimbang efisiensi pertama saka umume bahan berbasis silikon tanpa pra-lithiasi sing dilapurake ing literatur. Efisiensi pertama sing dhuwur nuduhake yen bahan komposit silikon-karbon sing wis disiapake duwe stabilitas sing dhuwur. Kanggo verifikasi efek struktur berpori, jaringan konduktif, lan lapisan karbon ing stabilitas bahan silikon-karbon, rong jinis bahan silikon-karbon disiapake tanpa nambah CNT lan tanpa lapisan karbon utama.
Morfologi bubuk karbonisasi saka bahan komposit silikon-karbon tanpa nambahake CNT dituduhake ing Gambar 6. Sawise lapisan fase cair lan karbonisasi, lapisan lapisan bisa katon kanthi jelas ing permukaan partikel sekunder ing Gambar 6(a). SEM penampang melintang saka bahan karbonisasi dituduhake ing Gambar 6(b). Susunan nanosheet silikon nduweni karakteristik keropos, lan uji BET yaiku 16,6 m2/g. Nanging, dibandhingake karo kasus karo CNT [kaya sing dituduhake ing Gambar 3(d), uji BET saka bubuk karbonisasi yaiku 22,3 m2/g], kapadhetan susunan nano-silikon internal luwih dhuwur, nuduhake yen tambahan CNT bisa ningkatake pembentukan struktur keropos. Kajaba iku, bahan kasebut ora duwe jaringan konduktif telung dimensi sing dibangun dening CNT. Bahan komposit silikon-karbon direkam minangka S2.
Karakteristik morfologis bahan komposit silikon-karbon sing disiapake kanthi lapisan karbon fase padat dituduhake ing Gambar 7. Sawise karbonisasi, ana lapisan lapisan sing jelas ing permukaan, kaya sing dituduhake ing Gambar 7(a). Gambar 7(b) nuduhake manawa ana nanopartikel berbentuk strip ing penampang melintang, sing cocog karo karakteristik morfologis nanosheet. Akumulasi nanosheet mbentuk struktur keropos. Ora ana pengisi sing jelas ing permukaan nanosheet internal, sing nuduhake manawa lapisan karbon fase padat mung mbentuk lapisan lapisan karbon kanthi struktur keropos, lan ora ana lapisan lapisan internal kanggo nanosheet silikon. Bahan komposit silikon-karbon iki dicathet minangka S3.
Tes pangisian lan pangisian daya setengah sel jinis tombol ditindakake ing S2 lan S3. Kapasitas spesifik lan efisiensi pertama S2 yaiku 1120,2 mAh/g lan 84,8%, lan kapasitas spesifik lan efisiensi pertama S3 yaiku 882,5 mAh/g lan 82,9%. Kapasitas spesifik lan efisiensi pertama sampel S3 sing dilapisi fase padat paling endhek, nuduhake yen mung lapisan karbon saka struktur keropos sing ditindakake, lan lapisan karbon saka nanosheet silikon internal ora ditindakake, sing ora bisa menehi pengaruh lengkap marang kapasitas spesifik bahan berbasis silikon lan ora bisa nglindhungi permukaan bahan berbasis silikon. Efisiensi pertama sampel S2 tanpa CNT uga luwih murah tinimbang bahan komposit silikon-karbon sing ngemot CNT, nuduhake yen adhedhasar lapisan lapisan sing apik, jaringan konduktif lan tingkat struktur keropos sing luwih dhuwur kondusif kanggo ningkatake efisiensi pangisian daya lan pangisian daya saka bahan silikon-karbon.
Bahan silikon-karbon S1 digunakake kanggo nggawe baterei cilik kanthi kemasan alus kanggo mriksa kinerja kecepatan lan kinerja siklus. Kurva kecepatan debit dituduhake ing Gambar 8(a). Kapasitas debit 0.2C, 0.5C, 1C, 2C lan 3C yaiku 2.970, 2.999, 2.920, 2.176 lan 1.021 Ah. Kecepatan debit 1C dhuwure nganti 98.3%, nanging kecepatan debit 2C mudhun dadi 73.3%, lan kecepatan debit 3C mudhun maneh dadi 34.4%. Kanggo gabung karo grup ijol-ijolan elektroda negatif silikon, tambahake WeChat: shimobang. Babagan kecepatan pengisian daya, kapasitas pengisian daya 0.2C, 0.5C, 1C, 2C lan 3C yaiku 3.186, 3.182, 3.081, 2.686 lan 2.289 Ah. Tingkat pangisian daya 1C yaiku 96,7%, lan tingkat pangisian daya 2C isih tekan 84,3%. Nanging, kanthi mirsani kurva pangisian daya ing Gambar 8(b), platform pangisian daya 2C luwih gedhe tinimbang platform pangisian daya 1C, lan kapasitas pangisian daya voltase konstan nyumbang paling akeh (55%), nuduhake yen polarisasi baterei sing bisa diisi ulang 2C wis gedhe banget. Bahan silikon-karbon nduweni kinerja pangisian daya lan pengosongan sing apik ing 1C, nanging karakteristik struktural materi kasebut kudu luwih ditingkatake kanggo entuk kinerja tingkat sing luwih dhuwur. Kaya sing dituduhake ing Gambar 9, sawise 450 siklus, tingkat retensi kapasitas yaiku 78%, nuduhake kinerja siklus sing apik.
Kahanan permukaan elektroda sadurunge lan sawise siklus diselidiki nganggo SEM, lan asilé dituduhake ing Gambar 10. Sadurunge siklus, permukaan bahan grafit lan silikon-karbon katon bening [Gambar 10(a)]; sawise siklus, lapisan lapisan katon jelas ing permukaan [Gambar 10(b)], yaiku film SEI sing kandel. Kekasaran film SEI Konsumsi litium aktif dhuwur, sing ora kondusif kanggo kinerja siklus. Mulane, ningkatake pembentukan film SEI sing alus (kayata konstruksi film SEI buatan, nambahake aditif elektrolit sing cocog, lan liya-liyane) bisa nambah kinerja siklus. Pengamatan SEM cross-sectional partikel silikon-karbon sawise siklus [Gambar 10(c)] nuduhake yen nanopartikel silikon bentuk strip asli wis dadi luwih kasar lan struktur keropos wis diilangi. Iki utamane amarga ekspansi volume lan kontraksi terus-terusan saka bahan silikon-karbon sajrone siklus. Mulane, struktur keropos kudu luwih ditingkatake kanggo nyedhiyakake ruang buffer sing cukup kanggo ekspansi volume bahan berbasis silikon.
3 Dudutan
Adhedhasar ekspansi volume, konduktivitas sing kurang apik, lan stabilitas antarmuka sing kurang apik saka bahan elektroda negatif berbasis silikon, makalah iki nggawe perbaikan sing ditargetake, saka pembentukan morfologi nanosheet silikon, konstruksi struktur berpori, konstruksi jaringan konduktif, lan lapisan karbon lengkap saka kabeh partikel sekunder, kanggo ningkatake stabilitas bahan elektroda negatif berbasis silikon sacara sakabehe. Akumulasi nanosheet silikon bisa mbentuk struktur berpori. Pengenalan CNT bakal luwih ningkatake pembentukan struktur berpori. Bahan komposit silikon-karbon sing disiapake kanthi lapisan fase cair duwe efek lapisan karbon ganda tinimbang sing disiapake kanthi lapisan fase padat, lan nuduhake kapasitas spesifik lan efisiensi pertama sing luwih dhuwur. Kajaba iku, efisiensi pertama bahan komposit silikon-karbon sing ngemot CNT luwih dhuwur tinimbang sing tanpa CNT, sing utamane amarga tingkat kemampuan struktur berpori sing luwih dhuwur kanggo ngatasi ekspansi volume bahan berbasis silikon. Pengenalan CNT bakal mbangun jaringan konduktif telung dimensi, ningkatake konduktivitas bahan berbasis silikon, lan nuduhake kinerja tingkat sing apik ing 1C; lan bahan kasebut nuduhake kinerja siklus sing apik. Nanging, struktur keropos bahan kasebut kudu luwih dikuatake kanggo nyedhiyakake ruang buffer sing cukup kanggo ekspansi volume silikon, lan ningkatake pembentukan lapisan sing alus.lan film SEI sing padhet kanggo luwih ningkatake kinerja siklus bahan komposit silikon-karbon.
Kita uga nyedhiyakake produk grafit lan silikon karbida kanthi kemurnian dhuwur, sing digunakake sacara wiyar ing pangolahan wafer kaya oksidasi, difusi, lan anil.
Sugeng rawuh para pelanggan saka sak ndonya kanggo ngunjungi kita kanggo diskusi luwih lanjut!
https://www.vet-china.com/
Wektu kiriman: 13-Nov-2024