Was sind die Herstellungsverfahren für negative Elektrodenmaterialien für Lithiumbatterien aus Silizium-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen?

Silizium-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe sind aufgrund ihrer hervorragenden zyklischen Eigenschaften und Eigenschaften mit hoher Kapazität zu einem Hot Spot auf dem Gebiet der negativen Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien geworden. Es wird erwartet, dass Graphit als neue Generation von negativen Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien ersetzt wird. Silizium-Kohlenstoff-Verbundverfahren und die Auswahl von Kohlenstoffmaterialien haben einen wichtigen Einfluss auf die Morphologie und die elektrochemischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen.

Gegenwärtig kann Kohlenstoff als Matrix in Silizium-Kohlenstoff-Verbundnegativmaterialien in Graphitkohlenstoff, amorphen Kohlenstoff, Kohlenstoffmikrokugeln der Zwischenphase, Kohlenstofffasern, Kohlenstoffnanoröhren, Graphen usw. unterteilt werden. Das Folgende ist eine kurze Einführung in negative Elektrodenmaterialien aus Silizium-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen.

Binäres Silizium-Kohlenstoff-Komposit

1, Silizium-Graphit-Verbundmaterial

Graphit ist das am häufigsten verwendete negative Elektrodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien. Es hat eine gute Spannungsplattform und ist billig. Die Lamellenstruktur kann die innere Spannung, die während des Lade- und Entladevorgangs erzeugt wird, effektiv puffern. Die Optimierung der elektrochemischen Eigenschaften von Silizium-Graphit-Verbundwerkstoffen stand schon immer im Mittelpunkt der Forschung.

Die wichtigsten Herstellungsverfahren für Silizium-Graphit-Verbundwerkstoffe sind das Sol-Gel-Verfahren und das mechanische Kugelschleifverfahren.

1) Das Sol-Gel-Verfahren verwendet Si5H10 als Vorstufe von Silizium, das mit porösem natürlichem Graphit gemischt werden soll. Nach der Wärmebehandlung werden Silizium-Graphit-Verbundstoffe erhalten.

Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass der Verbundstoff eine gute zyklische Stabilität aufweist.

2) Das mechanische Kugelschleifverfahren besteht darin, Poly (styrol-divinylbenzol) -Mikrokugeln in Silizium-Graphit-Verbundwerkstoffe einzubetten und Silizium-Graphit-Verbundwerkstoffe durch Hochenergie-Kugelschleifen herzustellen.

Die Vorteile dieser Methode sind: Reduzierung der Materialvolumenausdehnung und Verbesserung der Zirkulationsleistung von Elektrodenmaterialien.

2, siliciumamorphes Kohlenstoffverbundmaterial

Nicht stereotyper Kohlenstoff ist eine Art amorphes Kohlenstoffmaterial, das üblicherweise durch das Cracken von Polymermaterialien bei niedriger Temperatur erhalten wird. Die meisten von ihnen haben eine hohe reversible spezifische Kapazität und eine gute Verträglichkeit mit Elektrolyten. Die Verwendung von amorphem Kohlenstoff als Matrix spielt nicht nur eine gute Rolle als Volumenpuffer, sondern verbessert auch die Leitfähigkeit des Materials.

Die Hauptmethoden zur Herstellung von siliciumamorphen Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen sind Pyrolyse und Hochenergie-Kugelmahlen.

1) Pyrolyse ist die Herstellung von Silicium-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen durch Pyrolyse von Phenolharzen. Die Studie zeigt, dass die reversible spezifische Kapazität des Verbundmaterials nach 10 Zyklen 640 ~ 1029 mA / g beträgt.

Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die zwischen dem Phenolharz und Silizium gebildete kovalente Bindung die Bindungskraft zwischen dem Siliciumdioxid erhöht, die strukturelle Stabilität des Materials verbessert und die erste irreversible spezifische Kapazität verringert.

2) Die Hochenergie-Kugelschleifverfahren verwendet Siliciummonoxid und Saccharose als Ausgangsmaterialien Silicium-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe durch Hochenergie-Kugel Mahlung und nachfolgende Pyrolyse in situ, in dem der Nanosilikat-Partikel (<UNK> 50 nm) gleichmäßig dispergiert vorzubereiten in der amorphen Kohlenstoffmatrix.

3, Silizium-Nano-Kohlenstoff-Verbundmaterial

Silico-Nano-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe werden hauptsächlich in Silizium-Kohlenstoff-Nanoröhren und Silizium-Graphen unterteilt.

1) Silizium-Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Verbundwerkstoffe

Die Herstellungsverfahren für Silizium-Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Verbundwerkstoffe umfassen chemische Gasphasenabscheidung, Hochenergie-Kugelschleifen und gepulste Laserabscheidung. Kohlenstoffnanoröhren sind Nanoröhren, die durch einschichtige oder mehrschichtige Graphitplatten gewellt sind. Der Abstand zwischen der Schicht und der Schicht beträgt etwa 0,34 nm, und der größere Schichtabstand ist für das Einbetten und Extrahieren von Lithiumionen förderlicher. Aufgrund der begrenzten Länge des Kohlenstoffrohrs ist die Tiefe der Einbettung von Lithiumionen gering, der Weg ist relativ kurz und die Elektrode ist durch Laden und Entladen unter großen Strömen weniger polarisiert. Darüber hinaus ist seine Struktur stabil und seine Leitfähigkeit gut, so dass Kohlenstoffnanoröhren große Aufmerksamkeit erhalten haben.

Das chemische Gasphasenabscheidungsverfahren verwendet C8H10, Fe (C5H5) 2 als Kohlenstoffquelle und Katalysator, um zuerst ein in Längsrichtung geordnetes Kohlenstoffnanoröhrenarray herzustellen, und dann SiH4 als Siliziumquelle, um Nanopartikel auf der Oberfläche von Kohlenstoffnanoröhren abzuscheiden. Das Silizium-Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Verbundmaterial wurde erhalten.

Synthese von Silizium-Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Kompositen

Diese Methode hat den Vorteil einer guten zyklischen Stabilität. Der Nachteil ist, dass die Ausbeute gering ist, die Produktionskosten hoch sind und der Herstellungsprozess schwer genau zu steuern ist und nicht für die Produktion in großem Maßstab geeignet ist.

2) Silizium-Graphen-Verbundwerkstoffe

Graphen hat überlegene leitende, thermische und mechanische Eigenschaften und eine hohe spezifische Oberfläche. Diese Faktoren tragen alle zur Verbesserung der elektrochemischen Eigenschaften bei, so dass erwartet wird, dass sie als Matrix zur Herstellung von Silizium-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen verwendet werden.

Das Herstellungsverfahren für Silizium-Graphen-Verbundmaterial besteht darin, Silizium-Graphen-Verbundmaterial herzustellen, indem Siliziumquelle und Graphitoxid nach dem Ultraschallmischen und Gefriertrocknen in Wasser gegeben werden, um gefrorenes trockenes Pulver zu erhalten, und es zur Reduktionsreaktion in eine nicht oxidierende Atmosphäre gebracht werden.

Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass es kein Templat gibt, der Grad der Praktikabilität hoch ist und die resultierenden Silizium-Graphen-Verbundstoffe die Vorteile von Graphenmatrix-Verbundstoffen und porösen Materialien kombinieren. Die Probleme einer geringen spezifischen Kapazität, einer schlechten Zyklusleistung, eines schlechten Verhältnisses und einer geringen Coulomb-Effizienz von Materialien auf Siliziumbasis als negative Elektrodenmaterialien für Lithiumionenbatterien wurden verbessert.

Silizium-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe

Gegenwärtig haben die Forscher große Fortschritte bei der Verbesserung der elektrochemischen Eigenschaften von Elektrodenmaterialien durch die Kombination von Silizium, Kohlenstoff und verschiedenen Metallen oder Metalloxiden erzielt. Siliciumkohlenstoff-Verbundwerkstoffe umfassen hauptsächlich Si 1,81 Co 0,6 Mn 0,6 Al 0,3 Verbundwerkstoffe, SixCo 0,6 B 0,6 Al 0,2 Verbundwerkstoffe, Si / MgO / C-Verbundwerkstoffe usw.

Silizium, Kohlenstoff und verschiedene Metalle oder Metalloxide können die reversible Kapazität und die Zyklenleistung des Materials wirksam verbessern. Gegenwärtig beschränkt sich die Forschung auf einfaches mechanisches Kugelschleifen und andere Methoden zur Herstellung, und auf diesem Gebiet gibt es noch viel Forschungsraum.

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