הכנת חומר מורכב מסיליקון ופחמן לחומר אנודה של סוללת יון

הכנת חומר מורכב מסיליקון ופחמן לחומר אנודה של סוללת יון

סוללות ליתיום-יון (LIB) שימשו יותר ויותר במכשירי אחסון בעלי קיבולת גדולה כמו כלי רכב חשמליים והתקני אחסון אנרגיה (ESS) והתקנים ניידים בגלל מאפייני החיים היציבים שלהם ויעילותם הגבוהה.

ניתן להשתמש באסטרטגיות הבאות לקידום צפיפות האנרגיה של ה- LIB (Wh = kg): 1) לשנות את נתוני האלקטרודה 2) לשפר את טכנולוגיית הציפוי 3) לשפר את מילוי הנתונים באנודה ובקתודה, 4) לקדם את ספיגת הליתיום קצב הקתודה. עם זאת, שיטות 2-4 מוגבלות בדרך כלל לביצוע אופטימיזציה של החלל הפנימי והתכנון, ולכן נערכים באופן פעיל מחקר על הרכב חומרי אלקטרודה חדשים.

נכון לעכשיו, המקור הייצוגי ביותר לקתודות בהן נעשה שימוש ב- LIBS הוא גרפיט. בגלל האוריינטציה האקסקסיאלית של שכבת הגרפן, היא מציגה התנהגות פריקה מטעינה הפיכה ביותר ולכן היא בעלת מחזור ארוך.

בנוסף, כאשר הגרפיט טעון לחלוטין, כלומר כאשר ישנם יוני יוני ליתיום בין השכבות, פוטנציאל האלקטרודה הוא 0V לעומת Li = Li +. זה מצביע על כך שגרפיט יכול להציג פוטנציאל דומה לזה של מתכת לי טהורה. לכן, ניתן להשיג אנרגיה גבוהה יותר על ידי הרכבת מצבר עם קתודה גרפיט ואנודה מבוססת תחמוצת.

עם זאת, בהתחשב בביקוש לסוללות בעלות קיבולת גבוהה באותה עת, היכולת התיאורטית הנמוכה של גרפיט (372mAh = g, 837mAh = cm3) היא מכשול מרכזי בשימוש מתמשך בגרפיט כחומר אנודה. לכן, על מנת לפתח סוללות ליתיום משניות בעלות קיבולת גבוהה וביצועים גבוהים, חשוב לפתח חומרי אנודה שאינם פחמן.

מבין החומרים הלא-פחמניים הללו, Si הוא המתאים ביותר מכיוון שיש לו יכולת פריקה גבוהה של 4200mAh = g ופוטנציאל תגובת ליתיום של 0.4V (vsLi = Li +). עם זאת, Si נתקל בבעיית מפתח, כלומר הנפח משתנה באופן חמור במהלך תהליך הטעינה והפריקה, וכתוצאה מכך הפיחות לקויה ודעיכת יכולת רגישה.

הוצעו מספר גישות להפחתת התפשטות הנפח, כמו התגובה הננו-בקנה מידה של חלקיקי מתכת ליתיום, הרכב סגסוגות הטרוגניות המגיבות עם ליתיום, ומתחמי מתכת פעילים וסגסוגת ליתיום = הרכב פחמן. 11-15)

בסדנה זו אנו מנסים להתמודד עם בעיית ההתרחבות בתפזורת בסיליקון על ידי הרכבת נתונים מורכבים של סיליקון-פחמן (Si-CB). מבנה ה- CB נוצר על ידי צבירה של חלקיקים ראשוניים בכיוונים שונים ליצירת רשת של כיוונים וחללים שונים הנוצרים במצבר ה- CB עקב צמיחה אקראית. 16-19)

לכן, במקרה של הרחבת נפח, חללים אלה ישמשו כחוצץ להכיל סיליקון