लिथियम बैटरियों के लिए सिलिकॉन-आधारित एनोड सामग्री की आवेदन कठिनाइयाँ

2025-03-26

इस समय, नए ऊर्जा वाहनों के लिए लिथियम-आयन बैटरियों की ऊर्जा घनत्व को अभी भी सुधारने की आवश्यकता है, और पारंपरिक ईंधन वाहनों के प्रतिस्थापन के लिए अभी भी लंबा रास्ता तय करना है। पावर लिथियम आयन बैटरी की ऊर्जा घनत्व को सुधारने का मुख्य तरीका नए उच्च-क्षमता एनोड और कैथोड सामग्री का उपयोग करना है। सिलिकॉन की सैद्धांतिक विशिष्ट क्षमता 4200mAh/g तक है, जो कि ग्रेफाइट एनोड सामग्री से 10 गुना अधिक है। इसलिए, इसे ग्रेफाइट के बजाय लिथियम बैटरी की अगली पीढ़ी के एनोड सामग्री के रूप में माना जाता है।

सिलिकॉन पृथ्वी की परत में दूसरा सबसे प्रचुर तत्व है। सैद्धांतिक रूप से, एक सिलिकॉन परमाणु 4.4 लिथियम परमाणुओं के साथ मिश्र धातु बना सकता है जिससे Li4.4Si बनता है, इसलिए सिलिकॉन की सैद्धांतिक विशिष्ट क्षमता बहुत उच्च है। इसके अलावा, सिलिकॉन की लिथियम एम्बेडिंग संभाव्यता ग्रेफाइट एनोड की तुलना में अधिक है, जो लिथियम डेंड्राइट्स के गठन से प्रभावी रूप से बच सकती है। हालाँकि, चार्जिंग और डिस्चार्जिंग प्रक्रिया में विशाल मात्रा में परिवर्तन के कारण सिलिकॉन एक श्रृंखला की साइड प्रतिक्रियाओं का कारण बनने के लिए प्रवृत्त होता है:

(1) कई गुना विस्तार और अनुबंध, जिससे सिलिकॉन कणों के अंदर तनाव का संग्रह होता है, और अंततः सिलिकॉन सामग्री को पाउडर में बदल देता है, जिसके कारण कणों के बीच ध्रुवीय प्लेट में सिलिकॉन कणों के बीच इलेक्ट्रिकल संपर्क कमजोर होता है, और कंडक्टिव एजेंट के साथ सिलिकॉन कणों के बीच भी संपर्क खराब होता है, जिसके परिणामस्वरूप चक्रण प्रदर्शन खराब होता है;

(2) सिलिकॉन कणों की सतह पर SEI फिल्म टूट जाती है और पुनः उत्पन्न होती है, जिससे बड़ी मात्रा में लिथियम का उपभोग होता है, पहले प्रभाव के साथ कम और खराब परिसंचरण।

इसलिए, यदि सिलिकॉन आधारित एनोड सामग्री को लोकप्रियता और लागू किया जाना है, तो इसे संशोधित करना होगा।

Si नकारात्मक मिश्र धातु लिथियम भंडारण तंत्र, मिश्र धातुकरण/अनमिश्रण की प्रक्रिया विशाल विस्तार/संक्षेपण का कारण बनती है, मिश्र धातुकरण प्रतिक्रिया सिलिकॉन के लिए उच्च विशिष्ट क्षमता लाती है, लेकिन यह तीव्र मात्रा परिवर्तन भी लाती है, जिससे Li15Si4 मिश्र धातु का सापेक्ष मात्रा विस्तार लगभग 300% होता है।

संपूर्ण इलेक्ट्रोड के लिए, प्रत्येक कण का विस्तार और संकुचन आसपास के कणों को "निचोड़" देगा, जिससे इलेक्ट्रोड सामग्री तनाव के कारण इलेक्ट्रोड से गिर जाएगी, जिससे बैटरी की क्षमता में तेज गिरावट आएगी और चक्र जीवन छोटा हो जाएगा। लिथियम की प्रक्रिया में एम्बेडेड एकल सिलिकॉन पाउडर कणों के लिए, बाहरी इंटरकैलेटेड-ली अनाकार LixSi वॉल्यूम विस्तार बनाता है, आंतरिक परत एम्बेडेड नहीं है लिथियम मुद्रास्फीति नहीं है, जिससे प्रत्येक सिलिकॉन कणों में भारी तनाव उत्पन्न होता है, जो एकल सिलिकॉन कण क्रैकिंग के कारण होता है, प्रक्रिया में परिसंचरण लगातार नई सतह का उत्पादन करता है, जिससे ठोस इलेक्ट्रोलाइट परत (एसईआई फिल्म) बनती रहती है, लगातार लिथियम आयन निकलती रहती है, कुल बैटरी क्षमता में गिरावट जारी रहती है।

वर्तमान में, सिलिकॉन एनोड संशोधन का आवेदन मुख्य रूप से संवाहक सामग्री मिश्रण, नैनो/पोरोस, नए बाइंडर विकास, इंटरफेस स्थिरता ऑप्टिमाइजेशन और पहले लिथियम तकनीक अनुसंधान पर केंद्रित है।

1. संवाहक सामग्री मिश्रण

सिलिकॉन एनोड की इलेक्ट्रोकैमिकल प्रदर्शन को कोटिंग, मिश्रण या एक अच्छे संवाहक नेटवर्क हेटेरोजंक्शन का निर्माण करके सुधार सकते हैं ताकि डिऐम्बेडेड लिथियम आयन प्रवास की गतिशील बाधा को कम किया जा सके और सिलिकॉन सामग्री के विस्तार के लिए बफर स्थान प्रदान किया जा सके।

आम तौर पर पेश की जाने वाली संवाहक सामग्री में Ag, संवाहक पॉलिमर, ग्रेफिटाइज्ड कार्बन सामग्री आदि शामिल हैं। सिलिकॉन और ग्रेफाइट सामग्री का मिश्रण और मिलान सबसे संभावित अनुप्रयोग का दिशा है, साथ ही वर्तमान में हॉट सिलिकॉन कार्बन (Si/C) एनोड सामग्री है।

2. नैनो-आकार के सिलिकॉन कण

सैद्धांतिक और प्रयोगात्मक परिणाम दर्शाते हैं कि जब सिलिकॉन नैनोपार्टिकल्स का आकार 150nm से कम होता है, सिलिकॉन कणों का आकार 380nm से कम होता है, या सिलिकॉन नैनोवायर की रेडियल चौड़ाई 300nm से कम होती है, तो नैनो-सिलिकॉन सामग्री अपने स्वयं के मात्रा विस्तार को सहन कर सकती है और लिथियम आयनों की पहली प्रविष्टि के बाद पाउडर नहीं बनती।

सूक्ष्म सिलिकॉन कणों की तुलना में, सिलिकॉन नैनो सामग्रियाँ उच्च क्षमता, अधिक स्थिर संरचना और प्रदर्शन दिखाती हैं, और तेज चार्जिंग और डिस्चार्जिंग क्षमता होती है। वर्तमान में, आमतौर पर रासायनिक वाष्प अवसादन विधि (CVD), तरल चरण प्रतिक्रिया विधि, मैग्नीशियम थर्मल रिडक्शन विधि का उपयोग करते हुए विभिन्न रूपों के सिलिकॉन आधारित नैनोपार्टिकल्स बनाने के लिए सिलिकॉन डाइऑक्साइड या सिलिकेट, निम्न तापमान थर्माइट रिडक्शन विधि, इलेक्ट्रोकैमिकल अवसादन विधि और SiO2 एवं CaSiO3 के इलेक्ट्रोकैमिकल रिडक्शन आदि तैयार किया जाता है।

3.सिलिकॉन सामग्री झरझरा

पारदर्शी डिज़ाइन सिलिकॉन कार्बन एनोड सामग्री के बल्क विस्तार के लिए छिद्रों को सुरक्षित करता है, ताकि पूरा कण या इलेक्ट्रोड महत्वपूर्ण संरचनात्मक परिवर्तनों का उत्पादन न करे। रिक्त स्थान बनाने के सामान्य तरीके हैं: (1) खोखले Si/C कोर-शेल संरचनात्मक सामग्री तैयार करना; (2) ke-शेल संरचना के साथ Si/C कंपोजिट तैयार किया गया। कोर और शेल के बीच पर्याप्त गुहाओं वाली संरचना का व्यापक उपयोग उच्च क्षमता एनोड सामग्रियों के मात्रा प्रभाव को कम करने के लिए किया गया। (3) छिद्रण सिलिकॉन सामग्रियों (सिलिकॉन स्पंज संरचना, आदि) की तैयारी।

सिलिकॉन आधारित सामग्री के पारदर्शी डिज़ाइन ने लिथियम एम्बेडिंग के मात्रा विस्तार के लिए स्थान सुरक्षित किया, कणों के आंतरिक तनाव को कम किया, और कणों के……

कणों का पाउडर बनाना सिलिकॉन कार्बन एनोड सामग्री के चक्रीकरण प्रदर्शन में एक निश्चित हद तक सुधार कर सकता है।

4. नया बाइंडर

मजबूत बाइंडर सिलिकॉन कणों के पाउडर मेंकरण को प्रभावी रूप से रोक सकता है, सिलिकॉन इलेक्ट्रोड के दरार को रोक सकता है, और सिलिकॉन एनोड सामग्रियों की चक्रीकरण स्थिरता को सुधार सकता है। सामान्य CMC, PAA और PVDF बाइंडर के अतिरिक्त, वर्तमान अनुसंधान में TiO2 कोटिंग सिलिकॉन सामग्री का प्रयास किया गया है ताकि पोल चिप दरार के आत्म-सुधार क्रिया को महसूस किया जा सके। बाइंडर की लोचता को सुधारने के लिए, सिलिकॉन एनोड के मात्रा विस्तार और संकुचन को सहन करना, उत्पन्न तनाव का विमोचन करना आदि।

5. इंटरफेस स्थिरता ऑप्टिमाइजेशन

लिथियम आयन बैटरी प्रणाली एक बहु-इंटरफेस प्रणाली है, प्रत्येक संपर्क इंटरफेस की स्थिरता और बंधन बल को सुधारने का लिथियम आयन बैटरी प्रणाली की चक्रीकरण स्थिरता और क्षमता पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है। इलेक्ट्रोलाइट के संघटन को सुधारने और SiOx सम्बद्धीकृत परत को हटाने के द्वारा, सिलिकॉन आधारित सामग्रियों की क्षमता विकास और चक्रीकरण स्थिरता में सुधार हुआ। SEI फिल्म की स्थिरता सुनिश्चित करने के लिए सिलिकॉन कार्बन इलेक्ट्रोड पर ZnO कोटिंग करके संपर्क इंटरफेस को ऑप्टिमाइज़ किया गया।

6. प्री-लिथिएशन तकनीक

सिलिकॉन एनोड सामग्री पहले चक्रीकरण के लिए बहुत सारा अपरिवर्तनीय लिथियम खपत करती है। सिलिकॉन एनोड में कुछ लिथियम (धातु लिथियम पाउडर या LixSi) को पूर्व में जोड़ने का तरीका अपरिवर्तनीय लिथियम खपत को पूरा करने के लिए प्री-लिथिएशन तकनीक कहलाता है।

वर्तमान में, इसका सामान्य उपयोग सतह-संशोधित सूखे और स्थिर धातु लिथियम पाउडर जोड़ने के लिए किया जाता है ताकि प्री-लिथिएशन हासिल किया जा सके, या LixSi समग्र योजक जोड़ने के लिए एक कृत्रिम SEI फिल्म की सुरक्षात्मक परत बनाने के लिए किया जाता है।

सिलिकॉन आधारित एनोड सामग्रियों के 300% मात्रा विस्तार दर की तुलना में, SiOx एनोड सामग्रियों में निष्क्रिय तत्व ऑक्सीजन का परिचय लिथियम डीन्टरेकेलेशन की प्रक्रिया में सक्रिय सामग्रियों के मात्रा विस्तार दर को महत्वपूर्ण रूप से कम करता है (160%, सिलिकॉन एनोड के 300% से कम), जबकि उच्च पुन:versible क्षमता (1400-1740mAh/g) बनाए रखते हुए।

हालांकि, वाणिज्यिक ग्रेफाइट एनोड की तुलना में, SiOx का मात्रा विस्तार अभी भी गंभीर है, और SiOx की इलेक्ट्रॉनिक चालकता Si की तुलना में खराब है। इसलिए, यदि SiOx सामग्री को व्यावसायिक अनुप्रयोगों में डालना है, तो जिन्हें पार करना है, उनकी कठिनाइयाँ छोटी नहीं हैं। आयन बैटरियों के एनोड सामग्रियों का एक अनुसंधान हॉटस्पॉट।

सिलिकॉन ऑक्साइड की इलेक्ट्रॉनिक संवाह्यता खराब है, और लिथियम आयन बैटरी के नकारात्मक इलेक्ट्रोड पर इसे लगाने का सबसे सामान्य तरीका इसे कार्बन सामग्री के साथ यौगिक करना है। कार्बन स्रोत का चयन यौगिक सामग्री के प्रदर्शन पर बहुत बड़ा प्रभाव डालता है। सामान्यत: उपयोग में लाए जाने वाले कार्बन स्रोतों में फिनोलिक रेजिन और पिच जैसे कार्बनिक कार्बन स्रोत, फ्रुक्टोज, ग्लूकोज़ और साइट्रिक एसिड जैसे अनिवार्य कार्बन स्रोत, ग्रेफाइट, ग्रेफीन ऑक्साइड और संवाहक पॉलिमर सामग्री आदि शामिल हैं। इन में से, ग्रेफीन की दो-आयामी संरचना लचीली है, और ग्रेफीन-लिपटे SiOx स्वामी-आघात को मात्रा विस्तार और संकुचन की प्रक्रिया में प्राप्त कर सकता है। कण रूप में सिलिकॉन ऑक्साइड के अलावा, एक-आयामी सिलिकॉन ऑक्साइड सामग्री लिथियम आयनों और इलेक्ट्रॉनों के फैलाव परिवहन को सुविधाजनक बनाएगी।

सिलिकॉन-ऑक्सिजन नकारात्मक इलेक्ट्रोड के अनुप्रयोग में, यद्यपि सिलिकॉन सामग्री के मात्रा विस्तार का प्रभाव सिलिकॉन सामग्री की तुलना में छोटा है, एक ही समय में, ऑक्सिजन के परिचय के कारण, पहले कूलमब प्रभाव में कमी आती है, इसलिए पहले प्रभाव को सुधारना एक समस्या है जिसे हल करने की आवश्यकता है।