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.

At present, the main problem in the preparation of Si/ graphite composites is how to ensure the uniform and stable composite of nano-Si and graphite, so that the composites can take into account both high specific capacity and cyclic stability. In general, the preparation of Si/ graphite composites with nano-Si and graphite as raw materials needs to be combined with a variety of technical means. In this paper, we only use the one-step technique of Si and graphite combination to classify, mainly including solid-phase mixing method, liquid phase process and vapor deposition process.

一、Njia ya kuchanganya ya awamu imara

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. fully dispersed nano-Si, citric acid and flake graphite in ethanol solution. After drying, they calcined at 500℃ to obtain nano-Si/amorphous carbon/graphite composites, in which amorphous carbon tightly “bonded” nano-Si to the surface of graphite, and the mass fraction of Si was about 7.2%. Electrochemical tests show that the first coulomb efficiency is about 80% and the reversible specific capacity is 476mA•h•g−1 when the current density is 0.1A•g−1, and the specific capacity remains 86% after 100 cycles.

Cao et al. used commercial nano-Si powder and graphite sheet as raw materials, combined with mechanical ball milling, spray drying technology and high temperature calcination to obtain nano-Si/amorphous carbon/graphite composites, in which Si content is about 10%. Figure 3 shows a flow chart of the preparation process. The final samples obtained are micron particles composed of graphite sheets, Si nanoparticles and amorphous carbon, as shown in FIG. 4. Under the current density of 0.2A•g−1, the coulomb efficiency of the first ring is 74%, and the reversible specific capacity is 587mA•h•g−1. The reversible specific capacity is maintained at 420mA•h•g−1 for 300 cycles at A current density of 0.5A•g−1.

Su, such as using mechanical ball grinding micron size Si powder preparation of nanometer Si powder (100 nm), in water solution, the nano Si, glucose, graphitized carbon nano ball evenly dispersed, after spray drying granulation into micro ball precursor, after 900 ℃ calcination process in inert gas for Si/amorphous carbon/graphite composite materials, including Si content is 5 w t%. The resulting product is a micron sphere with multistage structure, as shown in Figure 5. Electrochemical measurements show that the reversible specific capacities are 435 and 380mA•h•g−1 at 500 and 1000mA•g−1, respectively. After 100 cycles of 50mA•g−1, the reversible specific capacity is 483mA•h•g−1, but the first coulomb efficiency is only 51%, mainly because nano-sized particles have large specific surfaces and form a large number of SEI films.

Kim et al. first dissolved coal pitch in tetrahydrofuran, and then added nano-Si powder and graphite microspheres. After ultrasonic dispersion, tetrahydrofuran is evaporated to obtain a precursor mixture, in which the ratio of Si to graphite can be controlled by adding raw materials. After calcination at 1000℃ in Ar atmosphere, amorphous carbon generated from asphalt pyrolysis “sticks” Si nanoparticles closely to the surface of graphite microspheres, as shown in FIG. 6. The final product is “potato shaped” particles, and Si nanoparticles are uniformly compound in the outer layer of graphite spheres.

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

In summary, the composite process of Si nanocrystalline graphite mainly includes solid phase method, liquid phase method and gas phase deposition method, combined with spray drying, mechanical granulation, high temperature sintering and other technical means. In general, the introduction of a third phase material (amorphous carbon, graphene, metal, metal silicide) can further promote the uniform recombination of Si and graphite, so that the two are tightly “bonded” together, while forming a three-dimensional conductive network and avoiding direct contact between the nano Si and the electrolyte.