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.

Silicon is the second most abundant element in the earth’s crust. Theoretically, one silicon atom can alloyed with 4.4 lithium atoms to form Li4.4Si, so silicon has a very high theoretical specific capacity. In addition, the lithium embedding potential of silicon is higher than that of graphite anode, which can effectively avoid the formation of lithium dendrites. However, silicon is prone to cause a series of side reactions due to huge volume changes in the charging and discharging process:

(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%.

For the entire electrode, the expansion and contraction of each particle will “squeeze” the surrounding particles, which will cause the electrode material to fall off the electrode due to stress, which will lead to a sharp decline in battery capacity and a shortened cycle life. For a single silicon powder particles embedded in the process of lithium, outer intercalated-li form amorphous LixSi volume expansion occurs, the inner layer is not embedded lithium is not inflation, cause huge stress is generated in each silicon particles caused by single silicon particle cracking, circulation in the process of constantly produce new surface, leading to solid electrolyte layer (SEI film) continue to form, continuously drains lithium ion, The overall battery capacity continues to decline.

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. conductive material composite

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

The strong binder can effectively inhibit the pulverization of silicon particles, inhibit the crack of silicon electrode, and improve the cyclic stability of silicon anode materials. In addition to the common CMC, PAA and PVDF binder, TiO2 coating silicon material has been tried in the current research to realize the self-healing function of pole chip crack. To improve the elasticity of the binder, to withstand the volume expansion and contraction of the silicon anode, release the resulting stress and so on.

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.