การเตรียมและการปรับปรุงประสิทธิภาพของวัสดุคอมโพสิตซิลิกอนคาร์บอนที่มีรูพรุน

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนกำลังพัฒนาไปในทิศทางของความหนาแน่นพลังงานสูงเป็นหลัก ที่อุณหภูมิห้อง วัสดุขั้วลบที่ใช้ซิลิคอนเป็นส่วนประกอบหลักจะผสมกับลิเธียมเพื่อสร้างผลิตภัณฑ์ที่มีลิเธียมสูงในเฟส Li3.75Si ซึ่งมีความจุจำเพาะสูงถึง 3572 mAh/g ซึ่งสูงกว่าความจุจำเพาะทางทฤษฎีของขั้วลบกราไฟต์ที่ 372 mAh/g มาก อย่างไรก็ตาม ในระหว่างกระบวนการชาร์จและคายประจุซ้ำๆ ของวัสดุขั้วลบที่ใช้ซิลิคอนเป็นส่วนประกอบหลัก การเปลี่ยนแปลงเฟสของ Si และ Li3.75Si สามารถทำให้เกิดการขยายตัวของปริมาตรอย่างมาก (ประมาณ 300%) ซึ่งจะนำไปสู่การแตกตัวเป็นผงของโครงสร้างวัสดุขั้วไฟฟ้าและการก่อตัวของฟิล์ม SEI อย่างต่อเนื่อง และในที่สุดจะทำให้ความจุลดลงอย่างรวดเร็ว อุตสาหกรรมส่วนใหญ่จึงมุ่งเน้นการปรับปรุงประสิทธิภาพของวัสดุขั้วลบที่ใช้ซิลิคอนเป็นส่วนประกอบหลักและความเสถียรของแบตเตอรี่ที่ใช้ซิลิคอนเป็นส่วนประกอบหลักผ่านเทคโนโลยีต่างๆ เช่น การลดขนาดระดับนาโน การเคลือบด้วยคาร์บอน การสร้างรูพรุน และอื่นๆ

วัสดุคาร์บอนมีคุณสมบัติการนำไฟฟ้าที่ดี ต้นทุนต่ำ และมีแหล่งที่มามากมาย สามารถปรับปรุงการนำไฟฟ้าและความเสถียรของพื้นผิวของวัสดุซิลิคอนได้ จึงนิยมใช้เป็นสารเติมแต่งเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของขั้วลบซิลิคอน วัสดุซิลิคอน-คาร์บอนเป็นทิศทางการพัฒนาหลักของขั้วลบซิลิคอน การเคลือบด้วยคาร์บอนสามารถปรับปรุงความเสถียรของพื้นผิวของวัสดุซิลิคอนได้ แต่ความสามารถในการยับยั้งการขยายตัวของปริมาตรซิลิคอนนั้นเป็นเพียงทั่วไปและไม่สามารถแก้ปัญหาการขยายตัวของปริมาตรซิลิคอนได้อย่างสมบูรณ์ ดังนั้น เพื่อปรับปรุงความเสถียรของวัสดุซิลิคอน จึงจำเป็นต้องสร้างโครงสร้างที่มีรูพรุน การบดด้วยลูกบอลเป็นวิธีการทางอุตสาหกรรมสำหรับการเตรียมวัสดุนาโน สามารถเติมสารเติมแต่งหรือส่วนประกอบของวัสดุต่างๆ ลงในสารละลายที่ได้จากการบดด้วยลูกบอลตามความต้องการของวัสดุผสม จากนั้นกระจายสารละลายให้ทั่วถึงด้วยวิธีการต่างๆ และทำให้แห้งด้วยการพ่น ในระหว่างกระบวนการทำให้แห้งอย่างรวดเร็ว อนุภาคนาโนและส่วนประกอบอื่นๆ ในสารละลายจะก่อตัวเป็นโครงสร้างที่มีรูพรุนขึ้นเองโดยธรรมชาติ งานวิจัยนี้ใช้เทคโนโลยีการบดด้วยลูกบอลและการอบแห้งแบบสเปรย์ในระดับอุตสาหกรรมและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม เพื่อเตรียมวัสดุที่มีรูพรุนจากซิลิคอน

ประสิทธิภาพของวัสดุที่ใช้ซิลิคอนเป็นองค์ประกอบหลักสามารถปรับปรุงได้โดยการควบคุมรูปร่างและลักษณะการกระจายตัวของนาโนวัสดุซิลิคอน ปัจจุบันมีการเตรียมวัสดุที่ใช้ซิลิคอนเป็นองค์ประกอบหลักที่มีรูปร่างและลักษณะการกระจายตัวที่หลากหลาย เช่น นาโนแท่งซิลิคอน นาโนซิลิคอนฝังอยู่ในกราไฟต์ที่มีรูพรุน นาโนซิลิคอนที่กระจายตัวอยู่ในทรงกลมคาร์บอน โครงสร้างรูพรุนแบบอาร์เรย์ซิลิคอน/กราฟีน เป็นต้น ในระดับเดียวกัน เมื่อเปรียบเทียบกับอนุภาคนาโนแล้ว นาโนชีทสามารถลดปัญหาการยุบตัวที่เกิดจากการขยายตัวของปริมาตรได้ดีกว่า และวัสดุมีความหนาแน่นในการอัดตัวสูงกว่า การเรียงตัวแบบไม่เป็นระเบียบของนาโนชีทยังสามารถสร้างโครงสร้างรูพรุนได้ เพื่อเชื่อมต่อกับกลุ่มแลกเปลี่ยนของขั้วลบซิลิคอน และให้พื้นที่บัฟเฟอร์สำหรับการขยายตัวของปริมาตรของวัสดุซิลิคอน การนำคาร์บอนนาโนทิวบ์ (CNTs) มาใช้ไม่เพียงแต่จะช่วยเพิ่มการนำไฟฟ้าของวัสดุเท่านั้น แต่ยังส่งเสริมการสร้างโครงสร้างรูพรุนของวัสดุเนื่องจากลักษณะรูปร่างแบบหนึ่งมิติของมัน ยังไม่มีรายงานเกี่ยวกับโครงสร้างรูพรุนที่สร้างขึ้นจากนาโนชีทซิลิคอนและ CNTs บทความนี้ใช้กรรมวิธีทางอุตสาหกรรมที่สามารถนำไปใช้ได้จริง เช่น การบดด้วยลูกบอล การบดและการกระจายตัว การอบแห้งแบบสเปรย์ การเคลือบด้วยคาร์บอนเบื้องต้น และการเผา และแนะนำสารส่งเสริมการเกิดรูพรุนในกระบวนการเตรียม เพื่อเตรียมวัสดุขั้วลบที่มีซิลิคอนเป็นองค์ประกอบหลักที่มีรูพรุน ซึ่งเกิดจากการประกอบตัวเองของแผ่นนาโนซิลิคอนและท่อนาโนคาร์บอน กระบวนการเตรียมนั้นง่าย เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และไม่มีของเหลวเสียหรือกากของเสียเกิดขึ้น มีรายงานทางวรรณกรรมมากมายเกี่ยวกับการเคลือบวัสดุที่มีซิลิคอนเป็นองค์ประกอบหลักด้วยคาร์บอน แต่มีน้อยมากที่กล่าวถึงผลกระทบของการเคลือบอย่างลึกซึ้ง บทความนี้ใช้แอสฟัลต์เป็นแหล่งคาร์บอนเพื่อศึกษาผลกระทบของวิธีการเคลือบด้วยคาร์บอนสองวิธี ได้แก่ การเคลือบในเฟสของเหลวและการเคลือบในเฟสของแข็ง ต่อผลการเคลือบและประสิทธิภาพของวัสดุขั้วลบที่มีซิลิคอนเป็นองค์ประกอบหลัก

1 การทดลอง

1.1 การเตรียมวัสดุ

การเตรียมวัสดุคอมโพสิตซิลิคอน-คาร์บอนที่มีรูพรุนส่วนใหญ่ประกอบด้วยห้าขั้นตอนหลัก ได้แก่ การบดด้วยลูกบอล การบดและการกระจายตัว การอบแห้งแบบสเปรย์ การเคลือบคาร์บอนเบื้องต้น และการทำให้เป็นคาร์บอน ขั้นแรก ชั่งผงซิลิคอนเริ่มต้น 500 กรัม (ผลิตในประเทศ ความบริสุทธิ์ 99.99%) เติมไอโซโพรพานอล 2000 กรัม และทำการบดด้วยลูกบอลแบบเปียกที่ความเร็ว 2000 รอบ/นาที เป็นเวลา 24 ชั่วโมง เพื่อให้ได้สารละลายซิลิคอนระดับนาโน สารละลายซิลิคอนที่ได้จะถูกถ่ายโอนไปยังถังถ่ายโอนการกระจายตัว และเติมวัสดุตามอัตราส่วนมวลของซิลิคอน:กราไฟต์ (ผลิตในเซี่ยงไฮ้ เกรดแบตเตอรี่): ท่อนาโนคาร์บอน (ผลิตในเทียนจิน เกรดแบตเตอรี่): โพลีไวนิลไพโรลิโดน (ผลิตในเทียนจิน เกรดวิเคราะห์) = 40:60:1.5:2 ไอโซโพรพานอลใช้เพื่อปรับปริมาณของแข็ง และออกแบบให้ปริมาณของแข็งอยู่ที่ 15% ทำการบดและกระจายตัวด้วยความเร็วรอบ 3500 รอบ/นาที เป็นเวลา 4 ชั่วโมง จากนั้นจึงเปรียบเทียบกลุ่มของสารละลายข้นที่ไม่เติม CNT โดยที่วัสดุอื่นๆ เหมือนกัน สารละลายข้นที่กระจายตัวแล้วจะถูกถ่ายโอนไปยังถังป้อนสำหรับการอบแห้งแบบสเปรย์ และทำการอบแห้งแบบสเปรย์ในบรรยากาศที่ป้องกันด้วยไนโตรเจน โดยมีอุณหภูมิขาเข้าและขาออกอยู่ที่ 180 และ 90 °C ตามลำดับ จากนั้นจึงเปรียบเทียบการเคลือบด้วยคาร์บอนสองประเภท ได้แก่ การเคลือบแบบของแข็งและการเคลือบแบบของเหลว วิธีการเคลือบแบบของแข็งคือ: ผงที่อบแห้งแบบสเปรย์จะถูกผสมกับผงแอสฟัลต์ 20% (ผลิตในเกาหลี D50 คือ 5 μm) ผสมในเครื่องผสมเชิงกลเป็นเวลา 10 นาที ด้วยความเร็วรอบ 2000 รอบ/นาที เพื่อให้ได้ผงเคลือบเบื้องต้น วิธีการเคลือบในเฟสของเหลวมีดังนี้: นำผงที่ผ่านการอบแห้งแบบสเปรย์มาเติมลงในสารละลายไซลีน (ผลิตในเทียนจิน เกรดวิเคราะห์) ที่มีแอสฟัลต์ละลายอยู่ 20% ในผงที่ความเข้มข้นของของแข็ง 55% แล้วคนให้เข้ากันอย่างสม่ำเสมอในสุญญากาศ นำไปอบในเตาอบสุญญากาศที่อุณหภูมิ 85℃ เป็นเวลา 4 ชั่วโมง จากนั้นนำไปผสมในเครื่องผสมเชิงกลด้วยความเร็ว 2000 รอบ/นาที และเวลาในการผสม 10 นาที เพื่อให้ได้ผงเคลือบเบื้องต้น สุดท้าย นำผงเคลือบเบื้องต้นไปเผาในเตาเผาแบบหมุนภายใต้บรรยากาศไนโตรเจนด้วยอัตราการให้ความร้อน 5°C/นาที โดยคงอุณหภูมิไว้ที่ 550°C เป็นเวลา 2 ชั่วโมง จากนั้นให้ความร้อนต่อไปจนถึง 800°C และคงอุณหภูมิไว้ที่ 800°C เป็นเวลา 2 ชั่วโมง แล้วปล่อยให้เย็นลงเองตามธรรมชาติจนต่ำกว่า 100°C และนำออกจากเตา เพื่อให้ได้วัสดุคอมโพสิตซิลิคอน-คาร์บอน

1.2 วิธีการกำหนดคุณลักษณะ

วิเคราะห์การกระจายขนาดอนุภาคของวัสดุโดยใช้เครื่องทดสอบขนาดอนุภาค (Mastersizer รุ่น 2000 ผลิตในสหราชอาณาจักร) ผงที่ได้ในแต่ละขั้นตอนได้รับการทดสอบด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (Regulus8220 ผลิตในญี่ปุ่น) เพื่อตรวจสอบรูปร่างและขนาดของผง วิเคราะห์โครงสร้างเฟสของวัสดุโดยใช้เครื่องวิเคราะห์การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์แบบผง (D8 ADVANCE ผลิตในเยอรมนี) และวิเคราะห์องค์ประกอบทางเคมีของวัสดุโดยใช้เครื่องวิเคราะห์สเปกตรัมพลังงาน วัสดุคอมโพสิตซิลิคอน-คาร์บอนที่ได้ถูกนำมาใช้ทำแบตเตอรี่แบบกระดุมครึ่งเซลล์รุ่น CR2032 โดยมีอัตราส่วนมวลของซิลิคอน-คาร์บอน: SP: CNT: CMC: SBR เท่ากับ 92:2:2:1.5:2.5 ขั้วไฟฟ้าตรงข้ามเป็นแผ่นโลหะลิเธียม อิเล็กโทรไลต์เป็นอิเล็กโทรไลต์เชิงพาณิชย์ (รุ่น 1901 ผลิตในเกาหลี) ใช้ไดอะแฟรม Celgard 2320 ช่วงแรงดันการชาร์จและการคายประจุคือ 0.005-1.5 V กระแสการชาร์จและการคายประจุคือ 0.1 C (1C = 1A) และกระแสตัดการคายประจุคือ 0.05 C

เพื่อศึกษาประสิทธิภาพของวัสดุคอมโพสิตซิลิคอน-คาร์บอนเพิ่มเติม จึงได้ผลิตแบตเตอรี่แบบซอฟต์แพ็คขนาดเล็กแบบลามิเนต รุ่น 408595 โดยใช้ NCM811 (ผลิตในมณฑลหูหนาน เกรดแบตเตอรี่) เป็นขั้วบวก และกราไฟต์ขั้วลบผสมวัสดุซิลิคอน-คาร์บอน 8% สูตรของสารละลายขั้วบวกประกอบด้วย NCM811 96%, โพลีไวนิลิดีนฟลูออไรด์ (PVDF) 1.2%, สารนำไฟฟ้า SP 2%, CNT 0.8% และใช้ NMP เป็นสารช่วยกระจายตัว ส่วนสูตรของสารละลายขั้วลบประกอบด้วยวัสดุคอมโพสิตขั้วลบ 96%, CMC 1.3%, SBR 1.5%, CNT 1.2% และใช้น้ำเป็นสารช่วยกระจายตัว หลังจากผ่านกระบวนการผสม การเคลือบ การรีด การตัด การลามิเนต การเชื่อมแท็บ การบรรจุ การอบ การฉีดของเหลว การขึ้นรูป และการแบ่งความจุแล้ว จึงได้แบตเตอรี่แบบซอฟต์แพ็คขนาดเล็กแบบลามิเนต รุ่น 408595 ที่มีความจุ 3 Ah ได้ทำการทดสอบประสิทธิภาพอัตราการชาร์จ 0.2C, 0.5C, 1C, 2C และ 3C และประสิทธิภาพรอบการชาร์จ 0.5C และการคายประจุ 1C ช่วงแรงดันการชาร์จและการคายประจุอยู่ที่ 2.8-4.2 V โดยใช้กระแสคงที่และแรงดันคงที่ และกระแสตัดที่ 0.5C

2. ผลการวิจัยและการอภิปราย

ผงซิลิคอนเริ่มต้นถูกตรวจสอบด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM) พบว่าผงซิลิคอนมีลักษณะเป็นเม็ดไม่สม่ำเสมอ โดยมีขนาดอนุภาคเล็กกว่า 2 ไมโครเมตร ดังแสดงในรูปที่ 1(a) หลังจากบดด้วยลูกบอลแล้ว ขนาดของผงซิลิคอนลดลงอย่างมากเหลือประมาณ 100 นาโนเมตร [รูปที่ 1(b)] การทดสอบขนาดอนุภาคแสดงให้เห็นว่าค่า D50 ของผงซิลิคอนหลังการบดด้วยลูกบอลคือ 110 นาโนเมตร และค่า D90 คือ 175 นาโนเมตร การตรวจสอบลักษณะทางสัณฐานวิทยาของผงซิลิคอนหลังการบดด้วยลูกบอลอย่างละเอียดแสดงให้เห็นโครงสร้างเป็นแผ่นบางๆ (การเกิดโครงสร้างเป็นแผ่นบางๆ นี้จะได้รับการตรวจสอบเพิ่มเติมจากภาพตัดขวางของ SEM ในภายหลัง) ดังนั้น ข้อมูล D90 ที่ได้จากการทดสอบขนาดอนุภาคจึงควรเป็นมิติความยาวของแผ่นนาโน เมื่อรวมกับผลลัพธ์จาก SEM แล้ว สามารถสรุปได้ว่าขนาดของแผ่นนาโนที่ได้นั้นเล็กกว่าค่าวิกฤต 150 นาโนเมตร ซึ่งเป็นค่าที่ทำให้ผงซิลิคอนแตกหักระหว่างการชาร์จและการคายประจุอย่างน้อยหนึ่งมิติ การเกิดโครงสร้างแบบแผ่นบางนั้นเกิดจากพลังงานการแยกตัวที่แตกต่างกันของระนาบผลึกของซิลิคอนผลึก โดยระนาบ {111} ของซิลิคอนมีพลังงานการแยกตัวต่ำกว่าระนาบผลึก {100} และ {110} ดังนั้น ระนาบผลึกนี้จึงบางลงได้ง่ายกว่าเมื่อถูกบดด้วยลูกบอล และในที่สุดก็เกิดเป็นโครงสร้างแบบแผ่นบาง โครงสร้างแบบแผ่นบางนี้เอื้อต่อการสะสมของโครงสร้างที่หลวม ช่วยรักษาสpaceสำหรับการขยายตัวของปริมาตรของซิลิคอน และเพิ่มเสถียรภาพของวัสดุ

สารละลายที่มีนาโนซิลิคอน CNT และกราไฟต์ถูกพ่น และตรวจสอบผงก่อนและหลังการพ่นด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM) ผลลัพธ์แสดงในรูปที่ 2 เมทริกซ์กราไฟต์ที่เติมก่อนการพ่นมีโครงสร้างเป็นเกล็ดทั่วไปที่มีขนาด 5 ถึง 20 ไมโครเมตร [รูปที่ 2(a)] การทดสอบการกระจายขนาดอนุภาคของกราไฟต์แสดงให้เห็นว่า D50 คือ 15 ไมโครเมตร ผงที่ได้หลังการพ่นมีรูปร่างทรงกลม [รูปที่ 2(b)] และจะเห็นได้ว่ากราไฟต์ถูกเคลือบด้วยชั้นเคลือบหลังการพ่น D50 ของผงหลังการพ่นคือ 26.2 ไมโครเมตร ลักษณะทางสัณฐานวิทยาของอนุภาคทุติยภูมิถูกสังเกตโดย SEM แสดงให้เห็นลักษณะของโครงสร้างรูพรุนหลวมๆ ที่สะสมด้วยวัสดุนาโน [รูปที่ 2(c)] โครงสร้างที่มีรูพรุนประกอบด้วยแผ่นนาโนซิลิคอนและ CNT ที่พันกัน [รูปที่ 2(d)] และพื้นที่ผิวจำเพาะที่ทดสอบ (BET) สูงถึง 53.3 m2/g ดังนั้น หลังจากพ่นแล้ว แผ่นนาโนซิลิคอนและ CNT จะรวมตัวกันเองเพื่อสร้างโครงสร้างที่มีรูพรุน

ชั้นที่มีรูพรุนได้รับการบำบัดด้วยการเคลือบด้วยคาร์บอนเหลว และหลังจากเติมสารตั้งต้นการเคลือบคาร์บอนและทำการคาร์บอนไนเซชันแล้ว จึงทำการสังเกตด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM) ผลลัพธ์แสดงในรูปที่ 3 หลังจากเคลือบด้วยคาร์บอนเบื้องต้นแล้ว พื้นผิวของอนุภาคทุติยภูมิจะเรียบเนียน มีชั้นเคลือบที่ชัดเจน และการเคลือบสมบูรณ์ ดังแสดงในรูปที่ 3(a) และ (b) หลังจากทำการคาร์บอนไนเซชันแล้ว ชั้นเคลือบผิวยังคงอยู่ในสภาพการเคลือบที่ดี [รูปที่ 3(c)] นอกจากนี้ ภาพตัดขวางของ SEM แสดงให้เห็นอนุภาคนาโนรูปทรงแถบ [รูปที่ 3(d)] ซึ่งสอดคล้องกับลักษณะทางสัณฐานวิทยาของนาโนชีท ยืนยันเพิ่มเติมถึงการก่อตัวของนาโนชีทซิลิคอนหลังจากการบดด้วยลูกบอล นอกจากนี้ รูปที่ 3(d) แสดงให้เห็นว่ามีสารเติมเต็มอยู่ระหว่างนาโนชีทบางส่วน ซึ่งส่วนใหญ่เกิดจากการใช้วิธีการเคลือบในเฟสของเหลว สารละลายแอสฟัลต์จะแทรกซึมเข้าไปในวัสดุ ทำให้พื้นผิวของนาโนชีทซิลิคอนภายในได้รับชั้นเคลือบป้องกันด้วยคาร์บอน ดังนั้น การใช้การเคลือบในเฟสของเหลว นอกจากจะได้ผลของการเคลือบอนุภาคทุติยภูมิแล้ว ยังสามารถได้ผลการเคลือบคาร์บอนสองชั้นเช่นเดียวกับการเคลือบอนุภาคปฐมภูมิด้วย ผงคาร์บอนไนซ์ได้รับการทดสอบด้วยวิธี BET และผลการทดสอบได้ค่า 22.3 ตารางเมตรต่อกรัม

ผงคาร์บอนไนซ์ถูกนำไปวิเคราะห์สเปกตรัมพลังงานแบบตัดขวาง (EDS) และผลลัพธ์แสดงในรูปที่ 4(a) แกนขนาดไมครอนคือส่วนประกอบ C ซึ่งสอดคล้องกับเมทริกซ์กราไฟต์ และชั้นเคลือบด้านนอกประกอบด้วยซิลิคอนและออกซิเจน เพื่อตรวจสอบโครงสร้างของซิลิคอนเพิ่มเติม จึงทำการทดสอบการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ (XRD) และผลลัพธ์แสดงในรูปที่ 4(b) วัสดุส่วนใหญ่ประกอบด้วยกราไฟต์และซิลิคอนผลึกเดี่ยว โดยไม่มีลักษณะของซิลิคอนออกไซด์ที่ชัดเจน แสดงให้เห็นว่าส่วนประกอบออกซิเจนของการทดสอบสเปกตรัมพลังงานส่วนใหญ่มาจากการออกซิเดชันตามธรรมชาติของพื้นผิวซิลิคอน วัสดุคอมโพสิตซิลิคอน-คาร์บอนถูกบันทึกเป็น S1

วัสดุซิลิคอน-คาร์บอน S1 ที่เตรียมไว้ถูกนำไปผลิตเป็นเซลล์ครึ่งเซลล์แบบปุ่มและทดสอบการชาร์จและการคายประจุ กราฟการชาร์จและการคายประจุครั้งแรกแสดงในรูปที่ 5 ความจุจำเพาะแบบย้อนกลับได้คือ 1000.8 mAh/g และประสิทธิภาพในรอบแรกสูงถึง 93.9% ซึ่งสูงกว่าประสิทธิภาพในรอบแรกของวัสดุซิลิคอนส่วนใหญ่ที่ไม่ได้ผ่านกระบวนการลิเธียมล่วงหน้าตามที่รายงานไว้ในเอกสารทางวิชาการ ประสิทธิภาพในรอบแรกที่สูงแสดงให้เห็นว่าวัสดุคอมโพสิตซิลิคอน-คาร์บอนที่เตรียมไว้มีความเสถียรสูง เพื่อตรวจสอบผลกระทบของโครงสร้างรูพรุน เครือข่ายนำไฟฟ้า และการเคลือบด้วยคาร์บอนต่อความเสถียรของวัสดุซิลิคอน-คาร์บอน จึงได้เตรียมวัสดุซิลิคอน-คาร์บอนสองชนิด คือ ชนิดที่ไม่เติม CNT และชนิดที่ไม่เคลือบด้วยคาร์บอนขั้นต้น

ภาพแสดงสัณฐานวิทยาของผงคาร์บอนไนซ์ของวัสดุคอมโพสิตซิลิคอน-คาร์บอนที่ไม่เติม CNT แสดงในรูปที่ 6 หลังจากการเคลือบด้วยเฟสของเหลวและการเผาไหม้ จะเห็นชั้นเคลือบได้อย่างชัดเจนบนพื้นผิวของอนุภาคทุติยภูมิในรูปที่ 6(a) ภาพตัดขวางของวัสดุคาร์บอนไนซ์แสดงในรูปที่ 6(b) การเรียงตัวของนาโนชีทซิลิคอนมีลักษณะเป็นรูพรุน และค่า BET test คือ 16.6 m2/g อย่างไรก็ตาม เมื่อเปรียบเทียบกับกรณีที่มี CNT [ดังแสดงในรูปที่ 3(d) ค่า BET test ของผงคาร์บอนไนซ์คือ 22.3 m2/g] ความหนาแน่นของการเรียงตัวของนาโนซิลิคอนภายในจะสูงกว่า แสดงให้เห็นว่าการเติม CNT สามารถส่งเสริมการเกิดโครงสร้างรูพรุนได้ นอกจากนี้ วัสดุนี้ไม่มีเครือข่ายนำไฟฟ้าสามมิติที่สร้างขึ้นจาก CNT วัสดุคอมโพสิตซิลิคอน-คาร์บอนนี้ถูกบันทึกเป็น S2

ลักษณะทางสัณฐานวิทยาของวัสดุคอมโพสิตซิลิคอน-คาร์บอนที่เตรียมโดยการเคลือบด้วยคาร์บอนแบบเฟสของแข็งแสดงในรูปที่ 7 หลังจากกระบวนการคาร์บอนไนเซชัน จะมีชั้นเคลือบที่เห็นได้ชัดบนพื้นผิว ดังแสดงในรูปที่ 7(a) รูปที่ 7(b) แสดงให้เห็นว่ามีอนุภาคนาโนรูปทรงแถบอยู่ในภาคตัดขวาง ซึ่งสอดคล้องกับลักษณะทางสัณฐานวิทยาของแผ่นนาโน การสะสมของแผ่นนาโนก่อให้เกิดโครงสร้างที่มีรูพรุน ไม่มีสารเติมเต็มที่เห็นได้ชัดบนพื้นผิวของแผ่นนาโนภายใน แสดงให้เห็นว่าการเคลือบด้วยคาร์บอนแบบเฟสของแข็งก่อให้เกิดเพียงชั้นเคลือบคาร์บอนที่มีโครงสร้างเป็นรูพรุนเท่านั้น และไม่มีชั้นเคลือบภายในสำหรับแผ่นนาโนซิลิคอน วัสดุคอมโพสิตซิลิคอน-คาร์บอนนี้ถูกบันทึกไว้เป็น S3

ได้ทำการทดสอบการชาร์จและการคายประจุของเซลล์ครึ่งตัวแบบปุ่มกับตัวอย่าง 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 ที่เคลือบด้วยเฟสของแข็งนั้นต่ำที่สุด แสดงให้เห็นว่ามีการเคลือบคาร์บอนเฉพาะโครงสร้างที่มีรูพรุนเท่านั้น และไม่ได้ทำการเคลือบคาร์บอนบนนาโนชีทซิลิคอนภายใน ซึ่งทำให้ไม่สามารถดึงศักยภาพความจุจำเพาะของวัสดุซิลิคอนออกมาได้อย่างเต็มที่ และไม่สามารถปกป้องพื้นผิวของวัสดุซิลิคอนได้ ประสิทธิภาพครั้งแรกของตัวอย่าง S2 ที่ไม่มี CNT ก็ต่ำกว่าวัสดุคอมโพสิตซิลิคอน-คาร์บอนที่มี CNT เช่นกัน แสดงให้เห็นว่าบนพื้นฐานของชั้นเคลือบที่ดี เครือข่ายนำไฟฟ้า และโครงสร้างที่มีรูพรุนในระดับที่สูงขึ้น จะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการชาร์จและการคายประจุของวัสดุซิลิคอน-คาร์บอนได้

วัสดุซิลิคอนคาร์บอน S1 ถูกนำมาใช้ทำแบตเตอรี่แบบซอฟต์แพ็คขนาดเล็กเพื่อตรวจสอบประสิทธิภาพอัตราการคายประจุและประสิทธิภาพรอบการใช้งาน กราฟอัตราการคายประจุแสดงในรูปที่ 8(a) ความจุในการคายประจุที่ 0.2C, 0.5C, 1C, 2C และ 3C คือ 2.970, 2.999, 2.920, 2.176 และ 1.021 Ah ตามลำดับ อัตราการคายประจุที่ 1C สูงถึง 98.3% แต่ที่ 2C ลดลงเหลือ 73.3% และที่ 3C ลดลงเหลือ 34.4% หากต้องการเข้าร่วมกลุ่มแลกเปลี่ยนขั้วลบซิลิคอน 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 อยู่ที่ 96.7% และอัตราการชาร์จ 2C ยังคงอยู่ที่ 84.3% อย่างไรก็ตาม เมื่อพิจารณาจากกราฟการชาร์จในรูปที่ 8(b) พบว่าแพลตฟอร์มการชาร์จ 2C มีขนาดใหญ่กว่าแพลตฟอร์มการชาร์จ 1C อย่างเห็นได้ชัด และความจุในการชาร์จแรงดันคงที่คิดเป็นส่วนใหญ่ (55%) ซึ่งบ่งชี้ว่าการเกิดโพลาไรเซชันของแบตเตอรี่แบบชาร์จซ้ำได้ 2C นั้นสูงมากแล้ว วัสดุซิลิคอนคาร์บอนมีประสิทธิภาพการชาร์จและการคายประจุที่ดีที่ 1C แต่ลักษณะโครงสร้างของวัสดุจำเป็นต้องได้รับการปรับปรุงเพิ่มเติมเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพในอัตราที่สูงขึ้น ดังแสดงในรูปที่ 9 หลังจาก 450 รอบ อัตราการคงความจุอยู่ที่ 78% ซึ่งแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพที่ดีในรอบการใช้งาน

ได้ทำการตรวจสอบสภาพพื้นผิวของอิเล็กโทรดก่อนและหลังการใช้งานด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM) และผลลัพธ์แสดงในรูปที่ 10 ก่อนการใช้งาน พื้นผิวของวัสดุกราไฟต์และซิลิคอน-คาร์บอนมีความเรียบเนียน [รูปที่ 10(a)] หลังจากใช้งานแล้ว จะเห็นชั้นเคลือบเกิดขึ้นบนพื้นผิวอย่างชัดเจน [รูปที่ 10(b)] ซึ่งเป็นฟิล์ม SEI ที่หนา ความหยาบของฟิล์ม SEI ทำให้การใช้ลิเธียมแอคทีฟสูง ซึ่งไม่เอื้อต่อประสิทธิภาพการใช้งาน ดังนั้น การส่งเสริมการสร้างฟิล์ม SEI ที่เรียบเนียน (เช่น การสร้างฟิล์ม SEI เทียม การเติมสารเติมแต่งอิเล็กโทรไลต์ที่เหมาะสม ฯลฯ) สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้งานได้ การสังเกตภาพตัดขวางของอนุภาคซิลิคอน-คาร์บอนหลังการใช้งานด้วย SEM [รูปที่ 10(c)] แสดงให้เห็นว่าอนุภาคนาโนซิลิคอนรูปแถบเดิมมีขนาดใหญ่ขึ้นและโครงสร้างที่มีรูพรุนได้ถูกกำจัดไปเกือบหมดแล้ว ซึ่งส่วนใหญ่เกิดจากการขยายตัวและการหดตัวของปริมาตรอย่างต่อเนื่องของวัสดุซิลิคอน-คาร์บอนในระหว่างการใช้งาน ดังนั้น โครงสร้างที่มีรูพรุนจึงจำเป็นต้องได้รับการปรับปรุงเพิ่มเติมเพื่อให้มีพื้นที่รองรับที่เพียงพอสำหรับการขยายตัวของปริมาตรของวัสดุที่ทำจากซิลิคอน

3. บทสรุป

บทความนี้มุ่งเป้าไปที่การปรับปรุงเสถียรภาพของวัสดุขั้วลบที่ใช้ซิลิคอนโดยรวม โดยพิจารณาจากปัญหาการขยายตัวของปริมาตร การนำไฟฟ้าที่ไม่ดี และความเสถียรของส่วนต่อประสานที่ไม่ดีของวัสดุขั้วลบที่ใช้ซิลิคอน โดยเริ่มจากการปรับรูปร่างของแผ่นนาโนซิลิคอน การสร้างโครงสร้างรูพรุน การสร้างเครือข่ายนำไฟฟ้า และการเคลือบคาร์บอนอย่างสมบูรณ์บนอนุภาคทุติยภูมิทั้งหมด การสะสมของแผ่นนาโนซิลิคอนสามารถสร้างโครงสร้างรูพรุนได้ การเติม CNT จะช่วยส่งเสริมการสร้างโครงสร้างรูพรุนให้ดียิ่งขึ้น วัสดุคอมโพสิตซิลิคอน-คาร์บอนที่เตรียมโดยการเคลือบในเฟสของเหลวมีผลการเคลือบคาร์บอนสองเท่าเมื่อเทียบกับที่เตรียมโดยการเคลือบในเฟสของแข็ง และแสดงความจุจำเพาะและประสิทธิภาพครั้งแรกที่สูงกว่า นอกจากนี้ ประสิทธิภาพครั้งแรกของวัสดุคอมโพสิตซิลิคอน-คาร์บอนที่มี CNT ยังสูงกว่าที่ไม่มี CNT ซึ่งส่วนใหญ่เป็นผลมาจากความสามารถของโครงสร้างรูพรุนที่สูงกว่าในการบรรเทาการขยายตัวของปริมาตรของวัสดุที่ใช้ซิลิคอน การเติม CNT จะสร้างเครือข่ายนำไฟฟ้าสามมิติ ปรับปรุงการนำไฟฟ้าของวัสดุที่ใช้ซิลิคอน และแสดงประสิทธิภาพอัตราที่ดีที่ 1C และวัสดุยังแสดงประสิทธิภาพวงจรที่ดีอีกด้วย อย่างไรก็ตาม โครงสร้างที่มีรูพรุนของวัสดุจำเป็นต้องได้รับการเสริมความแข็งแรงเพิ่มเติม เพื่อให้มีพื้นที่รองรับการขยายตัวของปริมาตรของซิลิคอนอย่างเพียงพอ และส่งเสริมการก่อตัวของพื้นผิวเรียบและฟิล์ม SEI ที่หนาแน่นเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการทำงานของวัสดุคอมโพสิตซิลิคอน-คาร์บอนให้ดียิ่งขึ้น

นอกจากนี้ เรายังจัดจำหน่ายผลิตภัณฑ์กราไฟต์และซิลิคอนคาร์ไบด์ที่มีความบริสุทธิ์สูง ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในกระบวนการผลิตเวเฟอร์ เช่น การออกซิเดชัน การแพร่ และการอบอ่อน

ยินดีต้อนรับลูกค้าจากทั่วทุกมุมโลกเข้าเยี่ยมชมและพูดคุยเพิ่มเติม!

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