Njia ya Maandalizi ya Nyenzo za Anode za Si/Grafiti Sambamba

2025-03-26

Betri ya lithiamu ion ya pili inachukuliwa kama chombo bora zaidi cha kuhifadhi na kubadilisha nishati kutokana na faida zake za voltage ya wazi ya mzunguko wa juu, wiani wa juu wa nishati, maisha marefu, hakuna uchafuzi na kujitokwa kidogo. Hivi sasa, betri za lithiamu ion zimekuwa zikitumika sana katika vifaa vya elektroniki vya kubeba, magari ya umeme / magari ya umeme ya mseto na mifumo ya kuhifadhi nishati, nk. Pamoja na mahitaji ya bidhaa za akili na za kazi nyingi, kuboresha wiani wa nishati wa betri za lithiamu ion imekuwa kipengele cha utafiti. Katika mfumo wa betri ya lithiamu ion, vifaa vya anode na cathode vina jukumu la kutia mkazo katika wiani wake wa nishati.

Hivi sasa, vifaa mbalimbali vya anode na anode pamoja na elektroliti zinazolingana zimeandaliwa na kutumika katika betri za lithiamu ion. Nyenzo ya cathode inayotumika sana katika betri za kibiashara ni grafiti, ambayo hasa inajumuisha midogo ya kaboni ya hatua ya meso (MCMB), grafiti ya bandia na grafiti ya asili. Betri za lithiamu ion zilizotengenezwa kwa grafiti zinatumika hasa katika bidhaa za elektroniki za kubeba. Grafiti iliyoboresha imetumika katika betri za nguvu na betri za kuhifadhi nishati. Uwezo maalum wa bidhaa za grafiti za kiwango cha juu sokoni unakaribia thamani ya nadharia ya 360mA• H •g−1, na ina utendaji bora wa mzunguko, ambayo ni vigumu kuboresha zaidi. Matokeo ya simu yanaonyesha kuwa kuongezeka kwa uwezo maalum wa nyenzo ya cathode ndani ya 1200mA•h•g−1 bado ni mchango mkubwa kwa kuboresha wiani wa nishati wa betri.

Hivi sasa, shida kuu katika maandalizi ya Si/ grafiti composites ni jinsi ya kuhakikisha muungano sawa na thabiti wa nano-Si na grafiti, ili kwamba composites ziweze kuzingatia uwezo maalum wa juu na ustahimilivu wa mzunguko. Kwa ujumla, maandalizi ya Si/ grafiti composites yenye nano-Si na grafiti kama malighafi yanahitaji kuungana na mbinu mbalimbali za kiteknolojia. Katika hati hii, tunatumia tu mbinu ya hatua moja ya muunganiko wa Si na grafiti ili kuziweka, hasa ikiwa ni pamoja na njia ya kuchanganya hatua thabiti, mchakato wa awamu ya kioevu na mchakato wa unyunyiziaji wa mvuke.

一、Njia ya kuchanganya hatua thabiti

Katika hatua ya awali, watafiti hasa walitengeneza Si/ grafiti composites kwa kuchanganya kwa mitambo rahisi, yaani njia ya kuchanganya hatua thabiti. Ingawa njia ya upatanisho wa hatua thabiti ni rahisi, muunganiko wa Si na grafiti si wa karibu, na kiasi kikubwa cha Si kimewekwa wazi katika elektroliti, ambayo ina athari mbaya kwa utendaji wa elektrokemikali.

Kwa mfano, Cheng et al. walitumia kiwango cha juu cha nishati kwenye mchakato wa kusaga mipira ya chuma kuweka mchanganyiko wa poda ya Si micron, poda ya grafiti na nanotube za kaboni zenye kuta nyingi katika tanki ya kusaga ya chuma cha pua ili kupata mchanganyiko wa nano-Si/grafiti/nanotube za kaboni zenye kuta nyingi, ambapo yaliyomo ya Si ni 33wt%. Jaribio la elektro-kemikali lilibaini kuwa uwezo wa kibinafsi wa kurudiwa wa kwanza ulikuwa takriban 2000mA•h•g−1 wakati kiwango cha sasa kilikuwa 35mA•g−1, na uwezo wa kibinafsi wa kurudiwa uliendelea kuwa 584mA•h•g−1 baada ya mizunguko 20.

Xu et al. walitengeneza nyuzi za Si zenye kipenyo cha takriban 100nm kwa kutengeneza tarti za chuma, kisha moja kwa moja walikanda 15wt% nyuzi za Si na poda ya grafiti micron ili kutengeneza vifaa vya anodi za Si nyuzi/grafiti. Ufanisi wa kwanza wa Coulomb ulikuwa 74% na uwezo wa kibinafsi wa kurudiwa ulikuwa 514mA baada ya mizunguko 15 • H • G −1. Yin alipata mchanganyiko wa Si/Mn/ grafiti wa kiwango cha micron kwa kusaga kwa mitambo poda ya Si ya kiwango cha micron, poda ya Mn na grafiti, ambapo yaliyomo ya Si ilikuwa 20wt%. Ufanisi wa kwanza wa coulomb ni 70%, na uwezo wa kibinafsi wa kurudiwa ni 463mA•h•g−1 baada ya mizunguko 20, wakati kiwango cha sasa ni 0.15mA•cm−2.

Whittingham et al. walipata mchanganyiko wa Si-Al-grafiti kwa kusaga kwa mitambo poda ya Si, poda ya alumini na grafiti, ikiwa na yaliyomo ya Si ya 7.9%. Wakati wa sisi ya sasa ya 0.5mA•cm−2, uwezo wa kibinafsi wa kurudiwa wa kwanza ni 800mA•h•g−1 na ufanisi wa coulomb ni 80%. Baada ya mizunguko 10, uwezo wa kibinafsi wa kurudiwa unabaki karibu 700mA•h•g−1.

Kim et al. walitengeneza poda ya nano-Si kwa kusaga poda ya Si micron kisha kuunganishwa nayo na pitch na karatasi ya grafiti. Baada ya kugandisha kwa mitambo na kuteketezwa kwa joto la juu, vifaa vya nano-Si/ kaboni isiyo na umbo/grafiti vimepatikana, ambapo yaliyomo ya Si ilikuwa takriban 20%. Muundo wa bidhaa umeonyeshwa katika Kielelezo cha 2. Jaribio la elektro-kemikali linaonyesha kuwa uwezo wa kibinafsi wa kurudiwa wa kwanza ni 560mA•h•g−1 katika kiwango cha sasa cha 140mA•g−1, ufanisi wa kwanza wa coulomb ni 86%, na uwezo wa kibinafsi wa kurudiwa unabaki 80% baada ya mizunguko 30. Kuanzishwa kwa awamu ya tatu M(M = chuma, grafeni au kaboni isiyo na umbo) kunaweza kuhamasisha uunganisho wa karibu kati ya Si na grafiti, na ni faida katika kuongeza uongozi wa umeme wa vifaa, ambavyo vinatoa wazo jipya la kubuni kwa utengenezaji wa mchanganyiko wa Si/grafiti.

Pili, mbinu ya mchakato wa mchanganyiko wa awamu ya kioevu

Mchakato wa mchanganyiko wa awamu ya kioevu unaweza kufanya malighafi kuwa na usambazaji mzuri zaidi katika mazingira ya upole, na kawaida huleta aine ya awamu ya tatu M(kaboni isiyo na umbo, grafeni, chuma, chuma silikidi, nk.) ili kuhamasisha muungano wa Si na grafiti, ambayo ni mwelekeo mkuu wa utengenezaji wa mchanganyiko wa Si/grafiti.

Guo et al. walieneza kikamilifu nano-Si, asidi ya citric na grafiti ya karatasi katika suluhisho la ethanol. Baada ya kukausha, waliteketeza katika 500℃ ili kupata mchanganyiko wa nano-Si/kaboni isiyo na umbo/grafiti, ambapo kaboni isiyo na umbo ilifanya “kuunganishwa” kwa karibu na nano-Si kwenye uso wa grafiti, na uwiano wa uzito wa Si ulikuwa karibu 7.2%. Jaribio la elektro-kemikali linaonyesha kuwa ufanisi wa kwanza wa coulomb ni takriban 80% na uwezo wa kibinafsi wa kurudiwa ni 476mA•h•g−1 wakati kiwango cha sasa ni 0.1A•g−1, na uwezo wa kibinafsi unabaki 86% baada ya mizunguko 100.

Cao na wenzake walitumia poda ya nano-Si ya kibiashara na karatasi ya grafiti kama malighafi, wakichanganya na kusaga kwa mpira wa chuma, teknolojia ya kuununua na kuoka kwa joto la juu ili kupata vifaa vya nano-Si/karboni isiyo na umbo/grafiti, ambapo maudhui ya Si ni takriban 10%. Mchoro wa 3 unaonyesha mchoro wa mtiririko wa mchakato wa maandalizi. Sampuli za mwisho zilizopatikana ni chembe ndogo za micron zinazoundwa na karatasi za grafiti, nanoparticles za Si na karboni isiyo na umbo, kama ilivyoonyeshwa katika MCHORO 4. Chini ya msongamano wa sasa wa 0.2A•g−1, ufanisi wa coulomb wa pete ya kwanza ni 74%, na uwezo maalum wa kurudiwa ni 587mA•h•g−1. Uwezo maalum wa kurudiwa unahifadhiwa kuwa 420mA•h•g−1 kwa mizunguko 300 kwa msongamano wa sasa wa 0.5A•g−1.

Su, kama kutumia kusagwa kwa mpira wa mitambo wa ukubwa wa micron katika maandalizi ya poda ya Si ya nanomita (100 nm), katika suluhisho la maji, nano Si, glucose, poda ya kaboni iliyochakatwa kwa kuungwa, ilisambazwa sawasawa, baada ya kuhamasisha mvua na kugawanyika kuwa kipande cha mpira, baada ya mchakato wa kuchoma katika 900 ℃ katika gesi isiyo na reactivity kwa vifaa vya Si/kaboni isiyo na muundo/graphite, ikiwa na maudhui ya Si ni 5 w t%. Bidhaa iliyoanzishwa ni kipande cha mpira wa micron chenye muundo wa hatua nyingi, kama inavyoonyeshwa katika Mchoro wa 5. Vipimo vya electrochemical vinaonyesha kwamba uwezo maalum wa kurudi unapatikana ni 435 na 380mA•h•g−1 kwa 500 na 1000mA•g−1, mtawalia. Baada ya mzunguko 100 wa 50mA•g−1, uwezo maalum wa kurudi ni 483mA•h•g−1, lakini ufanisi wa kwanza wa coulomb ni 51% tu, hasa kwa sababu chembe za ukubwa wa nano zina nyuso maalum kubwa na zinaunda idadi kubwa ya filamu za SEI.

Kim et al. kwanza walitengeneza mvuke wa makaa ya mawe katika tetrahydrofuran, na kisha wakiongeza poda ya nano-Si na mipira ya grafiti. Baada ya kusambaza kwa sauti, tetrahydrofuran inayeyuka ili kupata mchanganyiko wa awali, ambapo uwiano wa Si hadi grafiti unaweza kudhibitiwa kwa kuongeza malighafi. Baada ya kuchoma katika 1000℃ katika anga ya Ar, kaboni isiyo na muundo iliyoanzishwa kutoka kwa uharibikaji wa asfalt “inasisitiza” nanopartikeli za Si kwa karibu kwenye uso wa mipira ya grafiti, kama inavyoonyeshwa katika Mchoro wa 6. Bidhaa ya mwisho ni chembe za “umbo la viazi”, na nanopartikeli za Si zimeunganishwa kwa sawa katika tabaka la nje la mipira ya grafiti.

Wakati wingi wa sasa ni 0.15A•g−1, uwezo wa kwanza wa kurudi maalum na ufanisi wa kwanza wa coulomb wa vifaa vya Si vyenye uwiano wa wingi wa 15% ni 712mA•h•g−1 na 85% mtawalia. Baada ya mzunguko 100, uwezo wa kurudi maalum unabaki kuwa 80%. Kwa kuongezeka kwa maudhui ya Si, uwezo maalum wa muunganiko unaboreshwa, lakini uthabiti wa mizunguko si mkubwa sana, hasa kutokana na upanuzi wa ujazo wa Si.

Tatu, Uwekaji mvuke wa kemikali

Uwekaji mvuke wa kemikali unategemea sana grafiti. Si inakisiwa kwenye uso wa grafiti kwa kuungua kwa silane kwa joto la juu. Faida kubwa ya uwekaji mvuke ni kwamba nanopartikeli za Si zinaweza kusambazwa sawasawa kwenye uso wa grafiti. Holzapfel et al. walikua moja kwa moja safu ya nanopartikeli za Si kwenye uso wa karatasi ya grafiti kwa uwekaji mvuke wa kemikali (ukubwa wa chembe za Si ni 10-20nm, uwiano wa wingi ni 7.1%). Majaribio ya electrochemical yanaonyesha kwamba uwezo wa kwanza wa kurudi maalum ni 520mA•h•g−1, ufanisi wa coulomb ni 75%, na uwezo wa kurudi maalum ni 470mA•h•g−1 wakati wingi wa sasa ni 10mA•g−1.

Cho et al. walipata grafiti yenye mashimo kwa kuchora mipira ya grafiti kwa kutumia chuma cha nikeli, na kisha wakakua nyuzi za Si kwenye grafiti yenye mashimo kwa kubomoa silane ya dhahabu. Vifaa vya Si nanowires/graphite vilipatikana kwa uwiano wa wingi wa Si ni 20%. Mchoro wa 7 unaonyesha mchoro wa mfano wa mchakato wa maandalizi. Wakati wingi wa sasa ulikuwa 0.05c (1C = 1050mA•h•cm−2), uwezo wa kurudi maalum na ufanisi wa coulomb wa mzunguko wa kwanza ulikuwa 1230mA•h•cm−2 na 91%, mtawalia. Uwezo wa kurudi maalum ulikuwa 1014mA•h•cm−2 kwa mzunguko 100 katika 0.2c, na hakuna upungufu wazi ulioonekana.

muhtasari na mtazamo

Kwa muhtasari, mchakato wa muundo wa Si nanocrystalline grafiti unajumuisha hasa njia ya awamu ya imara, njia ya awamu ya kioevu na njia ya amana ya awamu ya gesi, ikichanganya na upunguzaji wa dawa, ung'amuzi wa mitambo, sintering ya joto la juu na njia nyingine za kiufundi. Kwa ujumla, kuanzishwa kwa nyenzo za awamu ya tatu (kaboni zisizo na muundo, graphene, chuma, metal silicide) kunaweza kuimarisha zaidi kupata ushirikiano wa kawaida wa Si na grafiti, ili mbili hizo zishikane kwa karibu "pamoja," wakati wa kuunda mtandao wa umeme wa kujitenga na kuepusha mwingiliano wa moja kwa moja kati ya nano Si na elektroliti.