Changamoto za Maombi ya Nyenzo za Anode zinazotegemea Silikoni kwa Betri za Lithium

2025-03-26

Kwa sasa, wingi wa nishati ya betri za lithium-ion za magari ya nishati mpya bado unahitaji kuboreshwa, na bado kuna safari ndefu ya kubadilisha magari ya mafuta ya jadi. Njia kuu ya kuboresha wingi wa nishati ya betri za lithium ion ni kutumia nyenzo mpya za anode na cathode zenye uwezo mkubwa. Uwezo maalum wa nadharia wa silikoni ni hadi 4200mAh/g, ambayo ni zaidi ya mara 10 ya vifaa vya anode vya grafiti. Hivyo basi, inachukuliwa kama nyenzo ya kizazi kijacho ya anode ya betri ya lithium badala ya grafiti.

Silikoni ni kipengele cha pili kwa wingi zaidi katika anga ya dunia. Kimaudhui, atomi moja ya silikoni inaweza kujihusisha na atomi 4.4 za lithiamu kuunda Li4.4Si, hivyo silikoni ina uwezo maalum wa nadharia wa juu sana. Zaidi ya hayo, uwezo wa kuingiza lithiamu wa silikoni ni juu zaidi kuliko wa anode ya grafiti, ambayo inaweza kuepusha kwa ufanisi kutokea kwa dendrite za lithiamu. Hata hivyo, silikoni inakabiliwa na mabadiliko makubwa ya ukubwa ambayo yanaweza kusababisha mfululizo wa athari za kando katika mchakato wa kuchaji na kuchaji:

(1) Upanuzi na kupungua kwa kiasi mara nyingi, kunasababisha mkusanyiko wa mvutano ndani ya chembe za silicon, na hatimaye kuifanya nyenzo ya silicon kuwa povu, na kusababisha mawasiliano ya umeme kati ya chembe za silicon kwenye bodi ya polar kati ya chembe, kati ya chembe za silicon na wakala wa uongofu kuwa duni, utendaji duni wa mzunguko;

(2) Filamu ya SEI kwenye uso wa chembe za silicon ilipasuka na kujitengeneza, ikitumia kiasi kikubwa cha lithiamu, ikiwa na athari ya kwanza ya chini na mzunguko mbaya.

Hivyo, vifaa vya anodi vinavyojengwa kwa silicon vinapaswa kubadilishwa ikiwa vinataka kufanywa kwa umaarufu na kutumika.

Mfumo wa kuhifadhi Li15Si4 alloy, mchakato wa kuungana/kutatizisha husababisha upanuzi/kuungua kwa kiasi kikubwa, mchakato wa kuungana unalete uwezo maalum mkubwa kwa silicon, lakini pia husababisha mabadiliko makubwa ya ujazo, hivyo upanuzi wa ujazo wa alloy ya Li15Si4 ni takribani 300%.

Kwa elektrode nzima, upanuzi na kuungua kwa kila chembe utashinikiza chembe za karibu, jambo ambalo litasababisha nyenzo za elektrode kuanguka kutoka kwa elektrode kwa sababu ya mfadhaiko, jambo ambalo litapelekea kuporomoka kwa haraka kwa uwezo wa betri na kupungua kwa maisha ya mzunguko. Kwa chembe za poda moja za silicon zilizowekwa katika mchakato wa lithiamu, aina ya kati ya lithiamu iliyowekwa inaweza kuunda upanuzi wa ujazo usio na mpangilio wa LixSi, safu ya ndani haina lithiamu iliyowekwa na haina upanuzi, na kusababisha mfadhaiko mkubwa uliosababisha na kuvunjika kwa chembe za silicon moja, mzunguko katika mchakato wa kuendelea kutengeneza uso mpya, na kusababisha safu ya elektroliti imara (SEI filamu) kuendelea kuunda, ikiacha lithiamu ion inatumika, uwezo wa jumla wa betri unaendelea kupungua.

Kwa sasa, matumizi ya kubadilisha anodi ya silicon yanazingatia hasa mchanganyiko wa vifaa vinavyoongoza, nano/porous, maendeleo ya binder mpya, uboreshaji wa uthabiti wa interface na utafiti wa teknolojia ya kabla ya lithiamu.

1. mchanganyiko wa vifaa vinavyoongoza

Utendaji wa electrochemical wa anodi ya silicon unaweza kuboreshwa kwa kupaka, kuchanganya au kujenga mtandao mzuri wa uongozi wa heterojunction ili kupunguza vizuizi vya kinishamali vya uhamishaji wa lithiamu ion na kutoa nafasi ya buffer kwa upanuzi wa vifaa vya silicon.

Mifano ya vifaa vya uongozi vinavyotumiwa mara nyingi ni pamoja na Ag, polima inayongoza, vifaa vya kaboni vilivyokarbonisiwa, nk. Kuchanganya na mechi ya vifaa vya silicon na grafiti ni mwelekeo wenye nguvu wa matumizi, na pia vifaa vya anodi vya silicon kaboni (Si/C) ambavyo vinapendekezwa sana kwa sasa.

2. chembe za silicon za ukubwa wa nano

Matokeo ya kisayansi na ya majaribio yanaonyesha kwamba wakati ukubwa wa chembe za nano-silicon ni chini ya 150nm, ukubwa wa chembe za silicon zilizo na mipako ni chini ya 380nm, au upana wa radiali wa nyuzi za silicon ni chini ya 300nm, vifaa vya nano-silicon vinaweza kustahimili upanuzi wa ujazo wao na havipondwi baada ya kuingiza kwa mara ya kwanza ion za lithiamu.

Ikilinganishwa na chembe za silicon za micron, vifaa vya silicon nano vinaonyesha uwezo mkubwa, muundo na utendaji thabiti zaidi, na uwezo wa kuchaji na kutolea umeme kwa haraka. Hivi sasa, kwa kawaida kupitia njia ya kuweka mvuke wa kemikali (CVD), njia ya athari ya awamu ya kioevu, njia ya kupunguza mafuta ya magnesiamu ya silicon dioksidi au silicate, njia ya kupunguza thermite ya hali ya chini ya joto, njia ya kuweka electrochemical na kupunguza electrochemical ya SiO2 na CaSiO3, nk., kutayarisha aina mbalimbali za nanoparticles za silicon.

3. vifaa vya silicon porous

Ubunifu wa porous unahifadhi mashimo kwa ajili ya upanuzi wa jumla wa nyenzo za anodi za silicon kaboni, hivyo chembe nzima au elektrode haziwezi kuzalisha mabadiliko makubwa ya muundo. Njia za kawaida za kuunda nafasi tupu ni: (1) kuandaa vifaa vya muundo wa Si/C core-shell; (2) Si/C mchanganyiko wenye muundo wa ke-shell ulitayarishwa. Muundo wenye cavity ya kutosha kati ya core na shell ulitumika sana kupunguza athari ya ujazo ya vifaa vya anodi vya uwezo mkubwa. (3) Utayarishaji wa vifaa vya silicon porous (muundo wa sifongo wa silicon, nk.).

Muundo wa pori wa vifaa vinavyotegemea silicon huhifadhi nafasi kwa ajili ya upanuzi wa sehemu wa litiamu, hupunguza mvutano wa ndani wa chembe, na kuchelewesha chembe.

Kuponda kwa chembe kunaweza kuboresha utendaji wa mzunguko wa vifaa vya anod ya silicon kaboni kwa kiwango fulani.

4. binder mpya

Binder yenye nguvu inaweza kuzuia kwa ufanisi kuporomoka kwa chembe za silicon, kuzuia ufa wa elektrodu ya silicon, na kuboresha uthabiti wa mzunguko wa vifaa vya anod ya silicon. Mbali na CMC, PAA na PVDF za kawaida, uwekaji wa TiO2 kwenye vifaa vya silicon umekaribishwa katika utafiti wa sasa ili kuitimiza kazi ya kujiponya kwa ufa wa chip ya polo. Ili kuboresha unyumbufu wa binder, kushughulikia upanuzi na upunguzaji wa kiasi cha anod ya silicon, kuondoa mvutano unaosababishwa na hayo na kadhalika.

5. Uboreshaji wa uthabiti wa interface

Mfumo wa betri ya ioni za litiamu ni mfumo wa interfaces nyingi, kuboresha uthabiti na nguvu ya kushikamana ya kila interface ya mawasiliano kuna athari muhimu kwenye uthabiti wa mzunguko na uwezo wa mfumo wa betri ya ioni za litiamu. Kwa kuboresha muundo wa electrolyte na kuondoa safu ya SiOx ya kupunguza, maendeleo ya uwezo na uthabiti wa mzunguko wa vifaa vinavyotegemea silicon viliboreshwa. Interface ya mawasiliano iliboreshwa kwa kuweka ZnO kwenye elektrode ya silicon kaboni ili kuhakikisha uthabiti wa filamu ya SEI.

6. Teknolojia ya kabla ya litiation

NyMateriali ya anod ya silicon inatumia litiamu nyingi zisizoweza kurudi kwa mzunguko wa kwanza. Njia ya kuongeza litiamu fulani (poda ya litiamu ya metali au LixSi) kwenye anod ya silicon mapema ili kukamilisha matumizi yasiyo ya kurudi ya litiamu huitwa teknolojia ya kabla ya litiation.

Kwa sasa, mara nyingi inatumika kuongeza poda ya litiamu ya metali yenye uboreshaji wa uso na thabiti ili kufikia kabla ya litiation, au kuongeza viungio vya mchanganyiko wa LixSi ili kuunda safu ya kinga ya filamu ya SEI bandia.

Ikilinganishwa na kiwango cha upanuzi wa kiasi cha asilimia 300 ya vifaa vya anod vinavyotegemea silicon, kuanzishwa kwa elementi isiyo hai ya oksijeni katika vifaa vya anod vya SiOx kunapunguza kwa kiasi kikubwa kiwango cha upanuzi wa kiasi cha vifaa hai katika mchakato wa kutolewa litiamu (asilimia 160%, chini ya asilimia 300 ya anod za silicon), wakati ina uwezo mkubwa wa kurudi (1400-1740mAh/g).

Walakini, ikilinganishwa na anod za grafiti za kibiashara, upanuzi wa kiasi wa SiOx bado ni mbaya, na uhamaji wa umeme wa SiOx ni mbaya zaidi kuliko ile ya Si. Kwa hivyo, ikiwa vifaa vya SiOx vitatumika katika matumizi ya kibiashara, changamoto zinazohitajika kushinda si ndogo. Moja ya maeneo makubwa ya utafiti wa vifaa vya anod kwa betri za ioni.

Uhamaji wa elektron wa oksidi ya silicon ni mbaya, na njia ya kawaida zaidi ya kuitumia kwenye elektrode hasi ya betri ya ioni za litiamu ni kuunganisha na nyenzo za kaboni. Uchaguzi wa chanzo cha kaboni unaathari kubwa juu ya utendaji wa vifaa vya mchanganyiko. Vyanzo vya kaboni vinavyotumiwa mara nyingi ni pamoja na vyanzo vya kaboni vya kikaboni kama vile resin ya phenolic na pitch, vyanzo vya kaboni visivyo vya kikaboni kama vile fructose, glucose na asidi citric, grafiti, oksidi ya grafini na nyenzo za polymer zinazoweza kuongoza, nk. Kati ya hizo, muundo wa pande mbili wa grafini ni elastiki, na SiOx iliyoandaliwa kwa grafini inaweza kufikia kujiponya katika mchakato wa upanuzi na upunguzaji wa kiwango. Mbali na oksidi za silicon katika umbo la chembe, nyenzo za oksidi ya silicon za panorama moja zitasaidia usafirishaji wa diffusive wa ions za litiamu na elektroni.

Katika matumizi ya elektrodu hasi ya silicon-oksijeni, ingawa ushawishi wa upanuzi wa volumu wa nyenzo za silicon ni mdogo kuliko wa nyenzo za silicon, wakati huo huo, kutokana na kuanzishwa kwa oksijeni, ufanisi wa kwanza wa Coulomb unazidi kupungua, hivyo kuboresha athari ya kwanza ni tatizo linalohitaji kutatuliwa.