Ⅰ. Kostir og áskoranir kísils-kolefnisskautaefna
(1) Rafefnafræðilegir eiginleikar kísils
Í rannsóknum á litíum-rafhlöðuskautum vekur kísill verulega athygli vegna afar mikillar fræðilegrar sértækrar getu. Við fulla lithiation getur kísill myndað málmblöndur með sérstakri afkastagetu sem nær 4200 mAh/g, næstum tífalt hærra en hefðbundið grafít. Þessi eign veitir traustan efnisgrunn til að auka orkuþéttleika rafhlöðunnar. Innsetningar-/útdráttarferlið litíums byggir fyrst og fremst á afturkræf blöndunarviðbrögðum milli sílikons og litíums. Athyglisverður sérstakur afkastagetu kostur kísils gerir það að verkum að það er kjarnaframbjóðandi fyrir há-orku-þéttleika rafskautsefni. Hins vegar, meðan á lithiation stendur, ganga kísilagnir undir mikla rúmmálsþenslu, sem fer yfir 300% miðað við tilraunagögn, langt umfram aflögunarsvið kolefnis{10}}undirstaða. Þessi mikla breytileiki í rúmmáli losar smám saman um snertingu milli virkra efna, truflar leiðandi leiðir milli agna, sem leiðir til óstöðugleika rafskautsbyggingar, sem skerðir frammistöðu hringrásar og rafefnafræðilegan stöðugleika. Óstöðugleiki í uppbyggingu kallar enn frekar á röð rafefnafræðilegra niðurbrotsvandamála. Brot á leiðandi neti hindrar rafeindaflutningsleiðir, eykur skautun rafskauta og veldur hraðri afkastagetu. Samtímis er erfitt að koma stöðugleika á millifasa (SEI) filmuna sem myndast á kísilyfirborðinu í upphafshringnum; lithiation-aflögun skaðar stöðugt SEI filmuna, sem veldur endurtekinni umbreytingu. Þetta ferli flýtir ekki aðeins fyrir raflausnnotkun heldur hefur það einnig í för með sér verulegt óafturkræft tap á afkastagetu, sem ógnar líftíma hringrásarinnar.
(2) Áskoranir um kísil-kolefnisskautaefni
Í hagnýtri notkun veldur mikil þensla og samdráttur kísilagna við endurtekna hringrás í kísil-kolefnisskautum auðveldlega agnduft, rafskautslag sprungur og eyðileggingu upprunalega leiðandi netsins, sem leiðir til hröðrar afkastagetu minnkunar. Eftir nokkra tugi lota lækkar afkastagetuhlutfallið verulega, sem er aðalástæðan fyrir því að rafskaut með háu-kísilinnihaldi-magni geta ekki komið víða í stað grafíts í viðskiptum. SEI filmubyggingin á kísilyfirborðinu er mjög óstöðug. Þar sem agnaaflögun er viðvarandi skemmist upprunalega SEI lagið og er stöðugt endurbyggt, sem veldur stöðugri raflausnnotkun og hægfara aukningu á mótstöðu milliflata. Óstöðugleiki SEI filmu hefur ekki aðeins áhrif á upphaflega Coulombic skilvirkni heldur getur það einnig kallað fram hliðarviðbrögð við rafskauts-rafskautsviðmótið, sem flýtir fyrir öldrun rafskauta. Þess vegna, þrátt fyrir að innleiðing kolefnisefnis dregur úr kísilþenslu að einhverju leyti og eykur heildarleiðni, er það enn kjarnaviðfangsefni í núverandi kísil-kolefnisskautarannsóknum að ná sameiningu byggingarstöðugleika, mikillar leiðni og stöðugleika á milliflötum á efnishönnunarstigi.
Ⅱ. Byggingarhagræðingaraðferðir fyrir kísil-kolefnissamsetningar
(1) Kjarna-Hönnun skeljar
Í kísil-kolefnisskautarannsóknum tákna Si@C kjarna-skeljarbyggingar þroskaða og mjög stjórnanlega hönnun. Þessi uppbygging notar sílikon agnir sem kjarna virka efnið, húðuð með samfelldri, þéttri kolefnisskel. Kolefnislagið hefur góða rafræna leiðni, sem eykur á áhrifaríkan hátt heildarleiðni efnisins, á sama tíma og það býður upp á ákveðinn sveigjanleika og vélrænan styrk til að draga úr innra álagi sem myndast við rúmmálsbreytingu kísils við lithiation/delithiation, sem dregur úr hættu á sprungum agna og burðarvirki bilun. Fyrirtækið okkar veitirrafhlaða R&D búnaðurogsérsniðnar rafhlöðuframleiðslulausnirsem getur stutt þróun og prófun á slíkum háþróuðum efnum.
(2) Kynning á gljúpum byggingum
Til að draga enn frekar úr skemmdum á burðarvirki vegna stækkunar rúmmáls, þjónar það sem áhrifarík viðbótaraðferð að setja upp porous mannvirki. Að smíða míkron- eða nanó-skala svitahola í samsettu efninu eykur ekki aðeins innsog raflausna og ýtir undir dreifingu litíum-jónadreifingar heldur veitir það einnig pláss til að taka á móti stækkun og bætir þar með heildarstöðugleika rafskautanna. Hátt sértækt yfirborðsflatarmál frá gljúpu uppbyggingunni getur stuðlað að stöðugri SEI filmumyndun, og í kjölfarið bætt upphaflega Coulombic skilvirkni. Rannsóknir sem tóku þátt í húðun á gljúpum kísilögnum með virku kolefni framleiddu samsett efni með tilteknu yfirborði 183 m²/g og upphafleg Coulombic skilvirkni jókst í 83,6%.
(3) Að byggja upp 3D leiðandi net
Lítil leiðni kísilsins gerir það að verkum að það er viðkvæmt fyrir viðbragðshysteresis og getu dofna í háum-hraða notkun. Til að bregðast við þessari takmörkun kynna vísindamenn leiðandi efni eins og grafen og kolefni nanórör til að byggja upp 3D leiðandi net, sem miðar að því að veita stöðugar, samfelldar rafeindaleiðnileiðir milli kísilagna. Þetta eykur verulega hraðagetu og bætir hraðhleðslu/hleðslugetu.
Til dæmis getur rafskautaefni sem notar fjöl-veggað kolefnis nanórör (MWCNT) sem beinagrind samsetta úr kísilögnum til að mynda stigveldi netkerfis viðhaldið tiltekinni getu upp á 1200 mAh/g á 2C hraða, umtalsvert hærra en ósamsettar stýringar (sjá mynd 1). Að auki, innlimun grafenlaga eykur enn frekar vélrænan stuðning, samvirkni við CNTs til að bæta heildarstöðugleika burðarvirkisins á áhrifaríkan hátt. Til að samþætta slík háþróuð efni í framleiðslu skaltu íhuga okkarturnkey rafhlöðuframleiðslulínulausnirhannað fyrir-afkastamikil rafhlöðuframleiðslu.
(4) Stjórnun á stöðugleika viðmóta
Viðbrögð við hjólreiðum hafa mikil áhrif á stöðugleika kísils-kolefnisskauta. Yfirborð kísilagna bregðast auðveldlega við raflausninni meðan á litíum stendur, sem veldur endurteknu SEI filmubroti og endurnýjun, sem eyðir virku litíum og dregur úr Coulombic skilvirkni. Algengar aðferðir eru meðal annars að setja köfnunarefnis-dópuð kolefnishúðunarlög á yfirborð kísilagna, nota flúorunarmeðferðir til að mynda stöðuga LiF-ríka SEI uppbyggingu, og bæta virkum aukefnum eins og flúoretýlenkarbónati (FEC) við raflausnina til að auka enn frekar þéttleika SEI filmu og bæla hliðarviðbrögð verulega. Prófunargögn benda til þess að það að bæta 5% FEC við raflausnina bætir getuhald kísil-kolefnisskauta um næstum 20% eftir 100 lotur, með skýrri minnkun á óafturkræfri afkastagetu.
Ⅲ. Undirbúningstækni og uppbyggingar-áskoranir fyrir kísil-kolefnisskaut
(1) Staða helstu undirbúningsaðferða
Núverandi aðferðir til að útbúa kísil-kolefnissamsett rafskaut fela fyrst og fremst í sér sól-gel, vélræna kúlumölun og efnagufuútfellingu (CVD). Sol-gel aðferðin dreifir forverum jafnt í lausn, með hlaupumbreytingu og hitameðhöndlun, og smíðar samsettar uppbyggingar með góðri tengingu við yfirborð og mikla dreifihæfni. Þessi aðferð býður upp á kosti í örbyggingarstýringu en er mjög viðkvæm fyrir hitastigi og pH, felur í sér langa vinnslulotu og hentar ekki til lotuframleiðslu. Vélræn kúlumalun er tiltölulega mikið notuð í tilraunaframleiðslu í iðnaði vegna einfalds búnaðar og lítillar orkunotkunar. Það er hægt að framkvæma við stofuhita en þjáist af lélegri einsleitni stjórn á kolefnishúðinni; staðbundin þétting veikir efnissamkvæmni og stöðugleika. CVD getur smíðað þéttar, stjórnanlega þykkar kolefnisskeljar við tiltölulega lágt hitastig, sem gerir það sérstaklega hentugt fyrir kjarna-skeljarbyggingar. Hins vegar stendur þetta ferli frammi fyrir flöskuhálsum eins og mikilli fjárfestingu í búnaði, löngum viðbragðslotum og takmörkuðu afkastagetu, sem hindrar getu þess til að mæta stórum framleiðsluþörfum.{10}TOB NÝ ORKAsérhæfir sig írafhlaða pilot línu lausnirsem getur hjálpað til við að auka þessa-þróuðu ferli á rannsóknarstofu.
(2) Kostnaðaruppbygging og iðnvæðingarhindranir
Helstu kostnaðaruppsprettur fyrir kísil-kolefnisiðnvæðingu eru kísilhráefnisvinnsla, val á kolefnisgjafa, hitameðhöndlunarorkunotkun og heildarferlið flókið. Hefðbundnu nanó-kísilldufti með miklum -hreinleika er smám saman skipt út fyrir kúlu-möluðu náttúrulegu kísildufti vegna mikils kostnaðar og takmarkana á auðlindum. Hins vegar eru náttúrulegar kísilagnir almennt stærri með þykkari yfirborðsoxíðlögum, sem krefjast margra formeðferðarþrepa eins og sýruþvott og-orkumikil kúlumölun, sem eykur umhverfisálagið. Val á kolefnisgjafa hefur bein áhrif á efnisleiðni og húðunargæði. Algengar kolefnisuppsprettur eru grafít, asetýlensvartur, glúkósa, súkrósa og pólýakrýlonítríl, sem eru verulega mismunandi hvað varðar leiðni, filmu-myndandi eiginleika og kostnað, sem krefjast viðeigandi samsetningar og vals byggt á marknotkuninni. Þó að ýmis ferli hafi náð hámarksframmistöðu efnis í rannsóknarstofum, deila þeir oft einkennum um „lítil afrakstur - mikillar orkunotkunar - óstöðugleika“. Til dæmis, þó að CVD veiti hágæða kolefnishúð, takmarkast framleiðsla þess af rúmmáli reactors, sem gerir það erfitt að mæta fjöldaframleiðslukröfum.TOB NÝ ORKAbýður upp á alhliðarafhlaða efni framboðog getur ráðlagt um efnisval og uppsprettu fyrir tiltekna notkun þína og mælikvarða. Ennfremur sérþekkingu okkar ástuðningur við næstu-kynslóð rafhlöðutækni(eins og fast-rafhlöður, natríum-jónarafhlöður o.s.frv.) geta leiðbeint þér í gegnum margbreytileika háþróaðrar samþættingar efnis.
