Anode gốc silicon có dung lượng riêng lý thuyết là 4200 mAh/g. Con số này vượt xa mức 372 mAh/g của anode than chì truyền thống. Nó đã trở thành một hướng đi then chốt để phá vỡ nút thắt hiệu suất của anode thông thường. Công nghệ lắng đọng hơi hóa học (CVD) cho phép lắng đọng silicon đồng đều trên đế carbon. Nó cũng tạo ra một giao diện silicon-carbon ổn định. Quy trình này đã trở thành hướng đi cốt lõi để thương mại hóa anode silicon-carbon. Trong quy trình này, vật liệu carbon xốp không chỉ là "chất mang". Chúng là "khung lõi" quyết định giới hạn hiệu suất của anode silicon-carbon CVD. Hiệu suất của chúng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất điện hóa và khả năng thương mại hóa của vật liệu composite.
Hiểu biết cơ bản về cacbon xốp
Carbon xốp là vật liệu gốc carbon với các lỗ rỗng liên kết với nhau. Theo tiêu chuẩn IUPAC, lỗ rỗng được phân loại thành micropore (<2 nm), mesopore (2-50 nm) và macropore (>50 nm). Đặc điểm cấu trúc của các kích thước lỗ rỗng khác nhau quyết định chức năng của chúng trong anode silicon-carbon CVD.
Carbon xốp cũng có điện trở thấp. Nó chịu được nhiệt độ cao, axit và bazơ. Nó có thể tạo nên mạng lưới dẫn điện ổn định, đảm bảo tuổi thọ chu kỳ điện cực. Tỷ lệ lỗ rỗng và độ xốp có thể được điều chỉnh trong quá trình này để đáp ứng các yêu cầu hiệu suất khác nhau của anode silicon-carbon CVD.
Vai trò cốt lõi và lợi thế của carbon xốp trong anode silicon-carbon CVD
Hiện nay, quá trình công nghiệp hóa anot silicon-cacbon CVD đang phải đối mặt với hai thách thức lớn:
Sự giãn nở thể tích của silicon trong quá trình đưa lithium vào sẽ gây ra hiện tượng điện cực bị nghiền nát và vật liệu hoạt động bị rơi ra.
Phản ứng phụ giữa silicon và chất điện phân tạo ra các lớp SEI dày, làm giảm hiệu suất chu kỳ đầu tiên và tuổi thọ chu kỳ của pin.
Carbon xốp cung cấp giải pháp cho hai vấn đề sau:
Đệm cho sự giãn nở thể tích của silicon:
Cấu trúc lỗ xốp đa cấp trong carbon xốp tạo thành một "hệ thống đệm ba lớp". Các lỗ xốp này cung cấp không gian vật lý cho silicon giãn nở. Chúng cũng phân tán ứng suất thông qua biến dạng đàn hồi, giảm nguy cơ gãy hạt. Các lỗ xốp mesopore có kích thước hạt silicon tương đương. Sau khi lithium được đưa vào, silicon giãn nở và lấp đầy các lỗ xốp này, ngăn ngừa sự nén lẫn nhau giữa các hạt.
Tách silicon khỏi chất điện phân và ổn định lớp SEI:
Một mặt, bộ khung carbon của carbon xốp bao quanh các hạt nano silicon. Điều này làm giảm tiếp xúc trực tiếp giữa silicon và chất điện phân. CVD cũng bao gồm lớp phủ carbon thứ cấp. Lớp phủ này tạo thành một lớp carbon dày đặc trên bề mặt vật liệu composite carbon/silicon xốp. Sự cô lập kép làm giảm hơn 60% các phản ứng phụ. Mặt khác, việc giảm các phản ứng phụ giúp ngăn ngừa các lớp SEI hình thành và bong ra do gãy vỡ hạt silicon. Điều này cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng và tuổi thọ chu kỳ.
Phương pháp chuẩn bị cho Carbon xốp
Phương pháp kích hoạt
Phương pháp hoạt hóa bao gồm việc trộn các tiền chất carbon với các tác nhân hoạt hóa và thực hiện các phản ứng tạo lỗ rỗng trong điều kiện khí trơ ở nhiệt độ cao. Phương pháp này bao gồm hoạt hóa vật lý và hoạt hóa hóa học.
(1) Kích hoạt vật lý:
Vật liệu sinh khối hoặc than đá như vỏ dừa hoặc than anthracite được sử dụng làm tiền chất. Sau khi nghiền và loại bỏ tạp chất, vật liệu được carbon hóa ở nhiệt độ cao để tạo thành bộ khung carbon ban đầu. CO₂ hoặc hơi nước sau đó được đưa vào làm chất hoạt hóa ở nhiệt độ 800-1100°C để khắc bộ khung carbon và tạo ra các lỗ rỗng. Sau khi làm nguội và sàng lọc, sản phẩm đã sẵn sàng. Phương pháp này thân thiện với môi trường, không có dư lượng thuốc thử hóa học, chi phí thấp và phù hợp với các doanh nghiệp vừa và nhỏ. sản xuất carbon xốpTuy nhiên, hàm lượng mesopore thường bị giới hạn ở mức dưới 50%, có thể không đáp ứng được yêu cầu về tải lượng silicon cao.
(2) Hoạt hóa hóa học:
Vật liệu có hàm lượng carbon cao, như nhựa phenolic hoặc than anthracite, được sử dụng làm tiền chất. Tiền chất được trộn với chất hoạt hóa theo tỷ lệ 3:1. Sau đó, nó được nung nóng để cacbon hóa và hoạt hóa. Sau phản ứng, chất hoạt hóa được rửa sạch và vật liệu được sấy khô. Carbon xốp được tạo ra bằng phương pháp hoạt hóa hóa học có hàm lượng mesopore cao hơn, kiểm soát cấu trúc lỗ xốp tốt hơn và diện tích bề mặt lên đến 2500-3000 m²/g.
Phương pháp mẫu
Trong phương pháp khuôn mẫu, tiền chất cacbon được nạp vào khuôn mẫu và nung ở nhiệt độ cao. Tiền chất cacbon hóa dần dần, sau đó khuôn mẫu được loại bỏ để thu được cacbon xốp. Phương pháp này được chia thành khuôn mẫu cứng và khuôn mẫu mềm.
(1) Phương pháp mẫu cứng:
Vật liệu như alumina hoặc sàng phân tử với cấu trúc lỗ rỗng cố định được sử dụng làm khuôn. Tiền chất được tẩm vào lỗ rỗng của khuôn. Sau khi cacbon hóa ở 800-1000°C, khuôn được hòa tan bằng axit để thu được cacbon xốp với cấu trúc lỗ rỗng bổ sung. Phương pháp này đạt được bậc mesopore lớn hơn 90% và độ lệch kích thước lỗ rỗng <5%. Phương pháp này đảm bảo lắng đọng silic đồng đều, nhưng chi phí khuôn mẫu cao và quy trình phức tạp. Phương pháp này được sử dụng cho nghiên cứu trong phòng thí nghiệm hoặc sản xuất quy mô nhỏ, chất lượng cao.
(2) Phương pháp mẫu mềm:
Copolymer khối hoặc chất hoạt động bề mặt được sử dụng làm khuôn mẫu. Chúng tự lắp ráp thành các micelle xốp trung bình khi được trộn với các tiền chất cacbon như sucrose hoặc nhựa phenolic. Hỗn hợp sau đó được cacbon hóa ở 600-800°C. Phương pháp này tạo ra các lỗ xốp trung bình chứa 60-70% cấu trúc, với chi phí thấp hơn so với phương pháp khuôn mẫu cứng.
Phương pháp Sol-Gel
Phương pháp sol-gel bao gồm việc trộn muối rượu hoặc muối vô cơ kim loại với dung môi để tạo thành dung dịch, sau đó trải qua quá trình thủy phân và ngưng tụ để tạo thành sol-gel. Sau quá trình lão hóa, sấy khô và thiêu kết ở nhiệt độ thấp, cacbon xốp được tạo ra. Trong quá trình tổng hợp sol-gel, hiện tượng xẹp lỗ xốp có thể xảy ra trong giai đoạn sấy khô. Để tránh điều này, phương pháp khuôn mẫu thường được sử dụng kết hợp với phương pháp sol-gel.
Bột Epic
Epic Powder có hơn 20 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực chế biến bột. Chúng tôi cung cấp các giải pháp tích hợp từ nghiền, xay, phân loại ĐẾN sửa đổi. Bằng cách tối ưu hóa việc chuẩn bị vật liệu carbon xốp, chúng tôi đảm bảo hiệu suất được nâng cao và chu kỳ dài hạn cho cực dương silicon-carbon CVD, góp phần thương mại hóa pin lithium-ion hiệu suất cao.
