Литиум батерейд зориулсан силикон суурь анод материалын хэрэглээний бэрхшээл

2025-03-26

Одоогоор шинэ энергийн автомашинуудад зориулсан лити-ион батерейнуудын энергийн нягтрал сайжруулах шаардлагатай байгаа бөгөөд уламжлалт түлштэй автомашинуудыг солих хугацаа удах бүрд их байна. Эрчим хүчний лити-ион батерейгийн энергийн нягтрал сайжруулах гол арга бол шинэ өндөр хүчин чадалтай анод, катод материал ашиглах явдал юм. Силиконы онолын онцгой хүчин чадал 4200mAh/g хүрч, графит анод материалынхнаас 10 дахин их байдаг. Тиймээс үүнийг литийн батерейны дараагийн үеийн анод материал гэж үздэг.

Силиконт дэлхийн царцдас дахь хоёр дахь ихээр элбэг байдаг элемент юм. Онолын хувьд нэг силикон атом 4.4 литиум атомтой хайлж Li4.4Si бий болгох боломжтой, ингэснээр силикон маш өндөр онолын онцгой хүчин чадалтай. Мөн силиконы литиум шингээгч потенциал графит анодаас илүү өндөр байдаг нь литиум дентрит үүсэхээс үр дүнтэйгээр зайлсхийдэг. Гэхдээ силикон нь цэнэглэх, суллах процессын үеэр асар их хэмжээний өөрчлөлт үүсгэдэг тул сөрөг урвал үүсгэх хандлагатай байдаг:

(1) Олон удаа хэмжээ томорч, багасч байгаа тул силикон хэсгүүдийн доторх стресс хуримтлагдаж, эцэст нь силикон материал нунтаг болж, поляр хавтангийн хэсгүүдийн хооронд болон силикон хэсгүүд болон дамжуулагчийн хооронд цахилгааны холболт муудаж, эргэлтийн гүйцэтгэл муу болно;

(2) Силикон хэсгүүдийн гадаргуу дээрх SEI кино хагарч, дахин үүсч их хэмжээний литиум зардаг, анхны нөлөө бага, эргэлт муу.

Тиймээс, силикон суурь анод материалуудыг түгээмэл ашиглахын тулд засвар хийх шаардлагатай.

Si сөрөг хайлш литиум хадгалах механизмыг хайлуулах/дахин хайлуулах процессыг тооцоолоход их хэмжээний томруулалт/багасалт бий болдог, хайлах урвал силикон руу өндөр онцгой хүчин чадал авчирч, гэхдээ орон зайны өөрчлөлтийг асар ихээр бий болгодог, ингэснээр Li15Si4 хайлшаар хоёртын хэмжээний томруулалт ой roughly 300% орчим байна.

Бүх цахилгаан элементийн хувьд, тус бүрийн хэсгийн томруулалт болон багасалт нь орчных нь хэсгүүдийг “шахах” ба энэ нь стресст орж элэгдэн унах систем нь цахилгаан материалын элэгдэлт, эрчим хүчний багасалт, эргэлтийн амьдралын хугацааны багасалтад хүргэдэг. Литиум хураагч үйл явцад нэг силикон нунтаг хэсгүүд нь литиумд шингэхэд гадна талд аморф LixSi хэлбэрийн тасалбарын хэмжээний томруулах үйл явц явагдаж, дотоод давхарга нь шингэсэн литиум байхгүй холбосноор болсон асар их стрессыг үүсгэдэг. Энэ нь өвөрмөц силикон хэсгүүдийн үнэ цэнэ муудах, эргэлтийн явцад шинэ гадаргуу бий болох, хатуу электролитийн давхарга (SEI кино) үргэлжлэн үүсч, литиум ионуудыг тасралтгүй зардаг. Нийтэлсэн литиум батерейны багтаамж тогтмол буурч байна.

Одоогоор силикон анодын өөрчлөлтийн хэрэглээ голчлон цахилгаан дамжуулах материалын нийлмэл, нано/порос, шинэ биндэр хөгжүүлэлт, интерфейсийн тогтвортой байдлыг сайжруулах болон предварит литийн технологийн судалгаанд төвлөрч байна.

1. Дамжуулдаг материалын найрлага

Силикон анодын электрохимийн гүйцэтгэлийг бүрхэлт, холимог, эсвэл сайн дамжуулдаг сүлжээ гетероинжекцтэйгээр бүтээх замаар сайжруулах боломжтой бөгөөд ингэснээр литийн ионы нүүдлийн кинетик саад бэрхшээлийг багасгаж, силикон материалын өргөжилтэд зориулж тусгай зайг бий болгоно.

Нийтлэг танилцуулдаг дамжуулдаг материалууд нь Ag, дамжуулдаг полимер, графитжсан нүүрсний материал гэх мэт орно. Силикон болон графит материалын холилт, тохиролцоо нь хамгийн их боломжийн хэрэглээний чиглэл бөгөөд, мөн одоогийн халуун силикон карбон (Si/C) анодын материалууд юм.

2. Нано хэмжээтэй силикон хэсгүүд

Теоретик ба туршилтын үр дүнгээс харахад, силикон наночарнууруудын хэмжээ 150нм-ээс бага, силикон хэсгүүдийн бүрхэлт 380нм-ээс бага, эсвэл силикон наногат шугамын радиаль өргөн 300нм-ээс бага байх үед, нано-силикон материал нь өөрийн хэмжээний өргөжилтийг тэсвэрлэх чадвартай бөгөөд литийн ионыг анх удаа оруулсаны дараа нунтаглахгүй байна.

Микрон силикон хэсгүүдтэй харьцуулахад, силикон нано материалууд илүү өндөр хүчин чадал, илүү тогтвортой бүтэц ба гүйцэтгэл, илүү хурдан цэнэглэх ба цэнэгийг буцаах чадварыг үзүүлж байна. Одоогийн байдлаар химийн уурын идэвхжил арга (CVD), шингэн фазын урвалаар, магнийн температураар бууруулах аргаар төмрийн оксид эсвэл силикатыг бэлтгэж 380 нм хүртэлх хэмжээтэй силикон суурь наночарнууруудын төрөл бүрийн хэлбэрийг гаргаж байна.

3. Силикон материалын цуурхай

Цуурхай дизайн нь силикон карбон анодын материалаас үүссэн хэмжээний өргөжилтэд зориулж зайг хадгалдаг бөгөөд ингэснээр бүх хэсэг эсвэл электрод нь ноцтой бүтэцийн өөрчлөлт гаргахгүй. Цуурхайг гаргах нийтлэг аргууд: (1) Силикон карбоны хоосон Si/C үндэс-дугтуй бүтэцтэй материал бэлтгэх; (2) Ke-дугтуй бүтэцтэй Si/C нэгдлийг бэлтгэх. Үндэс ба дугтуй хоорондын хангалттай хоосон зайтай бүтэц нь өндөр хүчин чадалтай анодын материалын хэмжээний нөлөөлөлд туслахад өргөн хэрэглэгддэг. (3) Цуурхай силикон материал (силикон спонж бүтэц гэх мэт) бэлтгэх.

Силикон суурь материалын цуурхай дизайн нь литийг наахад зориулж зайг хадгалахаас гадна, хэсгүүдийн дотоод стрессийг бууруулан, хэсгүүдийг

Чанар буурахыг хойшлуулж чадна. Силикон карбон анодын материалаас циклийг гүйцэтгэх гүйцэтгэлийг тодорхой хэмжээгээр сайжруулах боломжтой.

4. Шинэ бэхлэлтийн материал

Хүчтэй бэхлэлтийн материал нь силикон хэсгүүдийг нунтаглахыг үр дүнтэй зогсоож, силикон электродыг хагарахаас хамгаалж, силикон анодын материалаас циклийн тогтвортой байдлыг сайжруулах боломжтой. Түгээмэл CMC, PAA, PVDF бэхлэлтийн материалын гадна, TiO2 бүрхүүлтэй силикон материалын судалгаанаас хэрэглэхийг оролдож, туг чипийн хагаралд өөрийгөө засах функцийг гүйцэтгэхийг оролдсон. Бэхлэлтийн материалын уян хатан байдлыг сайжруулах, силикон анодын хэмжээний өргөжилт болон дахин багасахад тэсвэрлэх, үүссэн стрессийг сулруулах г.м.

5. Төвшний тогтвортой байдлын зохион байгуулалт

Лити ионы батерейн систем нь олон интерфейсийн систем бөгөөд, бүх холбоос интерфейсийн тогтвортой байдал болон наалдлын хүчийг сайжруулах нь литийн ионы батерейн системийн циклийн тогтвортой байдал болон хүчин чадалд чухал нөлөө үзүүлдэг. Электролитын найрлагыг сайжруулан, SiOx пассивацийн давирхайг арилгах замаар силикон суурь материалуудын хүчин чадал хөгжих болон циклийн тогтвортой байдлыг сайжруулсан. Силикон карбон электрод дээр ZnO бүрхүүлээр интерфейсийг оптимизлож, SEI хальсны тогтвортой байдлыг баталгаажуулсан.

6. Урьдчилсан литийн технологи

Силикон анодын материал нь анхны мөчлөгт их хэмжээний буцаан олшруулшгүй литий зарцуулдаг. Силикон анодод зарим литий (металл литийн нунтаг эсвэл LixSi) урьдчилан нэмэх арга нь буцаан олшруулшгүй литийн зарцуулалтыг нэмэгдүүлэхийг зорьдог бөгөөд үүнийг урьдчилсан литийн технологи гэж нэрлэдэг.

Oдоо үед, гадаргууг өөрчилсөн хуурай, тогтвортой метал литийн нунтаг нэмэгдүүлэх, урьдчилан литийнжуулах зорилгоор эсвэл LixSi найруулгыг нэмэх замаар хиймэл SEI кинэгчийн хамгаалалтын давхарга үүсгэхэд өргөн хэрэглэгддэг.

Силикон суурь анодын материалын 300%-ийн багтаамжийн өргөжилтийн хувьтай харьцуулахад, SiOx анодын материалд идэвхгүй элемент хүчилтөрөгчийг нэвтрүүлэх нь литийн задрах явцад идэвхтэй материалаар багтаамжийн өргөжилтийн хувь (160%, силикон анодаас 300%-иас бага) -ийг ихээхэн бууруулдаг бөгөөд өндөр эргэж болох хүчин чадал (1400-1740mAh/g) -тай.

Гэвч, худалдааны графит анодтой харьцуулахад SiOx-ийн багтаамжийн өргөжилт нь одоогийн байдлаар ноцтой хэвээр байгаа бөгөөд SiOx-ийн цахилгаан дамжуулалт нь Si-ээс муу байна. Тиймээс SiOx материалуудыг худалдааны хэрэглээнд оруулахын тулд нарийн төвөгтэй асуудлуудыг даван туулах шаардлагатай. Энэ нь ионы батарейн анодын материалыг судлах Hotspot-ийн нэг юм.

Силикон оксидын цахилгаан дамжуулалт муу бөгөөд литийн ионы батарейн сөрөг электродод үүнийг хэрэглэх хамгийн түгээмэл арга нь карбон материалтай нийлмэл хийх явдал юм. Карбон эх үүсвэрийг сонгох нь нийлмэл материалаар гүйцэтгэлд ихээхэн нөлөөлдөг. Түгээмэл хэрэглэгддэг карбон эх үүсвэрүүд нь фенолын резин, хутга, фруктоз, глюкоз, лимоны хүчил шиг органик карбон эх үүсвэрүүд, графит, графены оксид, цахилгаан дамжуулах полимер материалууд зэрэг орно. Үүнд, графенийн хоёр хэмжээст бүтэц нь уян хатан бөгөөд графенээр ороосон SiOx нь багтаамжийн өргөжилт болон багасах процесст өөрийгөө засах боломжийг олгодог. Бөөрөнхий хэлбэртэй силикон оксидод нэмэхээс гадна нэг хэмжээст силикон оксид материал нь литийн ион болон электронуудын тархалтыг хялбарчлах болно.

Силикон-окис сөрөг электродын хэрэглээнд, силикон материалаас үүдэлтэй багтаамжийн өргөжилтийн нөлөө нь бага ч, хүчилтөрөгчийг нэвтрүүлснээр анхны Кулон үр ашиг буурах явдал тохиолддог тул анхны нөлөөг сайжруулах нь шийдвэрлэх шаардлагатай асуудал юм.