ขั้วบวกที่ทำจากซิลิกอน มีความจุจำเพาะทางทฤษฎีอยู่ที่ 4200 mAh/g ซึ่งสูงกว่าขั้วบวกกราไฟต์แบบดั้งเดิมที่ 372 mAh/g มาก กลายเป็นแนวทางสำคัญในการทำลายข้อจำกัดด้านประสิทธิภาพการทำงานของขั้วบวกทั่วไป เทคโนโลยีการสะสมไอเคมี (CVD) ช่วยให้การสะสมซิลิคอนบนแผ่นคาร์บอนเป็นไปอย่างสม่ำเสมอ นอกจากนี้ยังสร้างส่วนต่อประสานระหว่างซิลิคอนและคาร์บอนที่เสถียร กระบวนการนี้ได้กลายเป็นเส้นทางหลักสำหรับการนำขั้วบวกซิลิคอนและคาร์บอนออกสู่ตลาด ในกระบวนการนี้ วัสดุคาร์บอนที่มีรูพรุน ไม่ได้เป็นเพียง “ตัวพา” เท่านั้น แต่ยังเป็น “โครงยึดหลัก” ที่กำหนดขีดจำกัดประสิทธิภาพของแอโนดซิลิคอน-คาร์บอน CVD อีกด้วย ประสิทธิภาพของแอโนดเหล่านี้ส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าและความเป็นไปได้ในการนำวัสดุคอมโพสิตออกสู่ตลาด
ความเข้าใจพื้นฐานเกี่ยวกับคาร์บอนที่มีรูพรุน
คาร์บอนที่มีรูพรุนเป็นวัสดุที่มีส่วนประกอบหลักเป็นคาร์บอนและมีรูพรุนเชื่อมต่อกัน ตามมาตรฐาน IUPAC รูพรุนถูกจำแนกเป็นรูพรุนขนาดเล็ก (<2 นาโนเมตร) รูพรุนขนาดกลาง (2-50 นาโนเมตร) และรูพรุนขนาดใหญ่ (>50 นาโนเมตร) ลักษณะโครงสร้างของขนาดรูพรุนที่แตกต่างกันจะกำหนดหน้าที่ของรูพรุนเหล่านี้ในแอโนดซิลิคอน-คาร์บอน CVD
คาร์บอนที่มีรูพรุนยังมีความต้านทานไฟฟ้าต่ำ ทนต่ออุณหภูมิสูง กรด และด่าง สามารถสร้างโครงข่ายตัวนำไฟฟ้าที่เสถียร ช่วยให้มั่นใจได้ถึงอายุการใช้งานของวงจรอิเล็กโทรด อัตราส่วนรูพรุนและความพรุนสามารถปรับได้ระหว่างกระบวนการ เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพของขั้วบวกซิลิคอน-คาร์บอน CVD ที่หลากหลาย
บทบาทหลักและข้อดีของคาร์บอนที่มีรูพรุนในแอโนดซิลิกอน-คาร์บอน CVD
ปัจจุบัน การผลิตเชิงอุตสาหกรรมของแอโนดซิลิคอน-คาร์บอน CVD เผชิญกับความท้าทายที่สำคัญสองประการ:
การขยายปริมาตรซิลิกอน เมื่อใส่ลิเธียมเข้าไป จะทำให้ขั้วไฟฟ้าแตกเป็นผงและมีวัสดุที่ใช้งานอยู่หลุดออกไป
ปฏิกิริยาข้างเคียง ระหว่างซิลิกอนและอิเล็กโทรไลต์จะสร้างชั้น SEI หนา ส่งผลให้ประสิทธิภาพรอบแรกและอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลดลง
คาร์บอนที่มีรูพรุนช่วยแก้ปัญหาสองประการดังต่อไปนี้:
การขยายปริมาตรของซิลิกอนบัฟเฟอร์:
โครงสร้างรูพรุนหลายระดับในคาร์บอนที่มีรูพรุนก่อให้เกิด "ระบบบัฟเฟอร์สามชั้น" รูพรุนเหล่านี้ให้พื้นที่ทางกายภาพสำหรับการขยายตัวของซิลิคอน นอกจากนี้ยังช่วยกระจายแรงเค้นผ่านการเปลี่ยนรูปยืดหยุ่น ซึ่งช่วยลดความเสี่ยงของการแตกหักของอนุภาค รูพรุนขนาดกลางมีขนาดอนุภาคซิลิคอนเท่ากัน หลังจากการแทรกลิเธียม ซิลิคอนจะขยายตัวและเติมเต็มรูพรุนเหล่านี้ เพื่อป้องกันการบีบอัดซึ่งกันและกันระหว่างอนุภาค
การแยกซิลิกอนจากอิเล็กโทรไลต์และทำให้ชั้น SEI มีเสถียรภาพ:
ในด้านหนึ่ง โครงคาร์บอนของคาร์บอนที่มีรูพรุนจะห่อหุ้มอนุภาคนาโนซิลิคอน ซึ่งจะช่วยลดการสัมผัสโดยตรงระหว่างซิลิคอนและอิเล็กโทรไลต์ นอกจากนี้ CVD ยังเกี่ยวข้องกับการเคลือบคาร์บอนทุติยภูมิ ซึ่งจะก่อให้เกิดชั้นคาร์บอนหนาแน่นบนพื้นผิวของวัสดุคอมโพสิตคาร์บอน/ซิลิคอนที่มีรูพรุน การแยกชั้นแบบคู่ช่วยลดปฏิกิริยาข้างเคียงได้มากกว่า 60% ในทางกลับกัน ปฏิกิริยาข้างเคียงที่ลดลงจะป้องกันไม่ให้ชั้น SEI ก่อตัวและหลุดลอกเนื่องจากการแตกของอนุภาคซิลิคอน ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงพลังงานและอายุการใช้งานของวงจร
วิธีการเตรียมคาร์บอนที่มีรูพรุน
วิธีการเปิดใช้งาน
วิธีการกระตุ้นเกี่ยวข้องกับการผสมสารตั้งต้นของคาร์บอนกับสารกระตุ้น และการทำปฏิกิริยาการสร้างรูพรุนภายใต้สภาวะก๊าซเฉื่อยอุณหภูมิสูง วิธีการนี้ประกอบด้วยการกระตุ้นทางกายภาพและการกระตุ้นทางเคมี
(1) การกระตุ้นทางกายภาพ:
วัสดุชีวมวลหรือถ่านหิน เช่น กะลามะพร้าว หรือแอนทราไซต์ ใช้เป็นสารตั้งต้น หลังจากการบดและกำจัดสิ่งเจือปนแล้ว วัสดุจะถูกเผาด้วยคาร์บอนที่อุณหภูมิสูงเพื่อสร้างโครงคาร์บอนเริ่มต้น จากนั้นจึงเติม CO₂ หรือไอน้ำเป็นสารกระตุ้นที่อุณหภูมิ 800-1100°C เพื่อกัดโครงคาร์บอนและสร้างรูพรุน หลังจากการทำให้เย็นลงและผ่านการคัดกรอง ผลิตภัณฑ์ก็พร้อมใช้ วิธีการนี้เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ไม่มีสารเคมีตกค้าง มีต้นทุนต่ำ และเหมาะสำหรับการใช้งานในระดับกลางถึงล่าง การผลิตคาร์บอนที่มีรูพรุนอย่างไรก็ตาม โดยทั่วไปเนื้อหาของเมโซพอร์จะจำกัดอยู่ที่ต่ำกว่า 50% ซึ่งอาจไม่ตรงตามข้อกำหนดปริมาณซิลิกอนสูง
(2) การกระตุ้นทางเคมี:
วัสดุคาร์บอนสูง เช่น เรซินฟีนอลิกหรือแอนทราไซต์ ใช้เป็นสารตั้งต้น สารตั้งต้นจะถูกผสมกับสารกระตุ้นในอัตราส่วน 3:1 จากนั้นจะถูกให้ความร้อนเพื่อทำให้เกิดการคาร์บอไนเซชันและการกระตุ้น หลังจากปฏิกิริยา สารกระตุ้นจะถูกชะล้างออกไป และทำให้วัสดุแห้ง คาร์บอนที่มีรูพรุนซึ่งผลิตขึ้นโดยใช้การกระตุ้นทางเคมีจะมีปริมาณเมโซพอร์สูงกว่า มีโครงสร้างรูพรุนที่ควบคุมได้ดีกว่า และมีพื้นที่ผิวสูงถึง 2,500-3,000 ตารางเมตร/กรัม
วิธีเทมเพลต
ในวิธีเทมเพลต สารตั้งต้นของคาร์บอนจะถูกบรรจุลงในเทมเพลตและให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูง สารตั้งต้นจะค่อยๆ เปลี่ยนเป็นคาร์บอน และเทมเพลตจะถูกกำจัดออกเพื่อให้ได้คาร์บอนที่มีรูพรุน วิธีการนี้แบ่งออกเป็นวิธีเทมเพลตแข็งและเทมเพลตอ่อน
(1) วิธีเทมเพลตแข็ง:
วัสดุต่างๆ เช่น อะลูมินาหรือตะแกรงโมเลกุลที่มีโครงสร้างรูพรุนคงที่ ใช้เป็นแม่แบบ สารตั้งต้นจะถูกชุบลงในรูพรุนของแม่แบบ หลังจากคาร์บอไนเซชันที่อุณหภูมิ 800-1000°C แม่แบบจะถูกละลายด้วยกรดเพื่อให้ได้คาร์บอนที่มีรูพรุนที่มีโครงสร้างรูพรุนเสริม วิธีการนี้ทำให้มีรูพรุนเมโสมากกว่า 90% และมีขนาดรูพรุนเบี่ยงเบนน้อยกว่า 5% วิธีนี้ทำให้มั่นใจได้ว่าการสะสมของซิลิคอนจะสม่ำเสมอ แต่ต้นทุนของแม่แบบสูง และกระบวนการมีความซับซ้อน ใช้สำหรับการวิจัยในห้องปฏิบัติการหรือการผลิตขนาดเล็กระดับไฮเอนด์
(2) วิธีเทมเพลตแบบอ่อน:
โคพอลิเมอร์แบบบล็อกหรือสารลดแรงตึงผิวถูกใช้เป็นแม่แบบ สารเหล่านี้จะประกอบตัวเองเป็นไมเซลล์ที่มีรูพรุนขนาดเมโซพอรัสเมื่อผสมกับสารตั้งต้นที่เป็นคาร์บอน เช่น ซูโครสหรือเรซินฟีนอลิก จากนั้นส่วนผสมจะถูกคาร์บอไนซ์ที่อุณหภูมิ 600-800°C วิธีการนี้ทำให้ได้รูพรุนขนาดเมโซพอร์ที่มีโครงสร้าง 60-70% ซึ่งมีต้นทุนต่ำกว่าวิธีแม่แบบแข็ง
วิธีโซล-เจล
วิธีโซล-เจล (sol-gel method) คือการผสมเกลือแอลกอฮอล์หรือเกลืออนินทรีย์โลหะกับตัวทำละลายจนเกิดเป็นสารละลาย ซึ่งจะถูกไฮโดรไลซิสและควบแน่นจนกลายเป็นโซล-เจล หลังจากการบ่ม การทำให้แห้ง และการเผาที่อุณหภูมิต่ำ จะเกิดคาร์บอนที่มีรูพรุนขึ้น ในการสังเคราะห์โซล-เจล รูพรุนอาจยุบตัวได้ในระหว่างขั้นตอนการทำให้แห้ง เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหานี้ มักใช้วิธีเทมเพลตร่วมกับวิธีโซล-เจล
ผงมหากาพย์
Epic Powder มีประสบการณ์มากกว่า 20 ปีในการแปรรูปผง เรามีโซลูชันแบบครบวงจร ตั้งแต่การบด การบดละเอียด การจำแนกประเภท ถึง การดัดแปลงโดยการเพิ่มประสิทธิภาพการเตรียมวัสดุคาร์บอนที่มีรูพรุน เราจึงมั่นใจได้ว่าจะมีประสิทธิภาพการทำงานที่เพิ่มขึ้นและการหมุนเวียนในระยะยาวสำหรับแอโนดซิลิคอน-คาร์บอน CVD ซึ่งมีส่วนสนับสนุนการจำหน่ายแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนประสิทธิภาพสูงในเชิงพาณิชย์
