התקדמות בפיתוח ויישום של חומרים מבוססי סיליקון

2024ABCA-8 "הפורום הבינלאומי ה-8 בנושא טכנולוגיית אנודה חדשה וטכנולוגיית חומרי קתודה וטכנולוגיית סוללת נתרן השנייה ופיתוח שוק" התקיים בהצלחה בסוז'ו ב-6, 7 ו-8 במרץ, 2024. הכנס היה בחסות משותפת מאת איגוד תעשיית אספקת הכוח הכימי והפיזי של סין והתאגיד ה-18 של המכון ה-18 של קבוצת הטכנולוגיה האלקטרוניקה של סין. חומרי סוללה מתקדמים/בייג'ינג Yihui Information Technology Co., LTD., נתמך על ידי המכון לפיזיקה, האקדמיה הסינית למדעים, מכון נינגבו לטכנולוגיה והנדסה של חומרים, האקדמיה הסינית למדעים, מכון סוז'ו לננוטכנולוגיה וננוביוניקה, האקדמיה הסינית למדעים. במקביל, היא רכשה את MattVerse Limited, Thermo Fisher Scientific, Linde Global R&D Center, Watson-Marlow, CITIC Metal/Brazil Mining and Metallurgy, BYK, Evonik Specialty Chemicals, Group14 , Cigna Pioneer, Zhongke Zhiliang, Wisteria Group, Zaichi טכנולוגיה, Boselis ומארגנים שותפים אחרים של התמיכה החזקה. כנס זה הזמין 300 ארגונים מתעשיית הרכב המקומית והזרה, אלקטרוניקה 3C, כלי עבודה חשמליים, קבלי-על, סוללות נתרן-יון, סוללות חשמל, סוללות ליתיום-יון וחומרי סוללה נלווים (חיובי, שלילי, דיאפרגמה, אלקטרוליט, חומר מוליך, תוספים ), ומפעלי ציוד תומך מתקדם אחרים הקשורים, הכנס סידר בסך הכל 14 פרקים של הנושא, 80 דוחות נושאיים.

מנקודת המבט של משלוחים לאורך השנים, לפני 2022, משלוחי האלקטרודות השליליות של סיליקון והחדירות נמוכים יחסית, אך עם התפתחות הטכנולוגיה, משלוחי האלקטרודות השליליות של הסיליקון והחדירות שופרו במידה מסוימת בשנת 2023. עם הרציף פיתוח של 46 צילינדרים, כולל מוצרי אלקטרוניקה, אלקטרודת הסיליקון השלילית צפויה להתפוצץ ב-2-3 השנים הבאות.

חומרי אנודה סיליקון החלו מחקר ופיתוח בשנות ה-90, הפיתוח של חמצן הסיליקון של ימינו, תיעוש חומרי סיליקון פחמן, הליבה ביותר היא עיצוב מבני ושינוי פני השטח. הקהילה האקדמית עוסקת בעיקר בתכנון מבני, כולל ננו-חוטי סיליקון, מבנים חלולים, מבני חלמון וכדומה. התעשייה היא בעיקר לעשות מבנים מרוכבים, כולל פחמן סיליקון מלוטש, חמצן סיליקון כולל חמצן סיליקון טרום ליתיום, חומרי פחמן סיליקון חדשים, בעיקר כדי לפתור את הבעיות העומדות בפני חומרי אלקטרודה שליליים ביישום. הבעיה המהותית ביותר ביישום של חומרי אנודה מבוססי סיליקון היא הרחבת נפח. מהצד החומר, האחד מורכב, השני הוא ננו, קומפוזיט עשוי בעיקר מסגסוגת סיליקון, חומר תחמוצת סיליקון, על ידי פיזור סיליקון במטריצת מתכת או תחמוצת סיליקון כדי להקל על ההתרחבות, אך לחומרים אלו יש מגוון בעיות, הדור האחרון של חומרי סיליקון הוא סוג חדש של פחמן סיליקון. זה בעיקר השימוש בטכנולוגיית CVD לשילוב ננו וקומפוזיט לייצור חומרי סיליקון פחמן. כמובן, קצה התא יבצע גם את התכנון המתאים, כולל עיצוב מבנה התא, מערכת כימית, אופטימיזציה של נוסחאות.

מוצג מצב המחקר והפיתוח של חומרי סיליקון. במהלך השנים, המחקר והפיתוח של אנודות סיליקון הגיעו לארבעה דורות של חומרים. הדור הראשון של פחמן סיליקון, כולל חמצן סיליקון רגיל, משמש בעיקר בשדות חשמל קטנים בגלל יתרון העלות שלו. סיליקה, בשל היעדר ההשפעה הראשונה הטבעית, זה חייב להיות שיפור טרום ליתיום, טרום מגנזיום. הדור השלישי של תחמוצת סיליקון פרה-ליתיום נדחק לייצור המוני, ופותר את בעיית ההשפעה הראשונה, אך הבעיה הגדולה ביותר היא שהעלות אינה ניתנת לשליטה, והיא אינה פותרת את בעיית ההתרחבות. בהתבסס על הפיתוח העתידי, פחמן סיליקון מופקד אדים, קצב ההתפשטות קטן, העלות התיאורטית נמוכה יותר, ולכן מאמצי המחקר והפיתוח הנוכחיים מוגברים. דוח זה מתמקד בעיקר בחמצן טרום ליתיום סיליקון ופחמן סיליקון שהופקד בשלב גז כדי לבצע את הדוח המקביל.
למה אכפת לנו מ-{{0}}.8 וולט מלכתחילה? אם ניקח לדוגמה את האלקטרודה החיובית הטרינרית עם 600mAh/g חומר סיליקון שלילי, גם אם המתח מועלה ל-2.5 וולט במערכת שלוש הרמות החשמליות, האלקטרודה השלילית יכולה לשחק רק עד 0.8 וולט לכל היותר. . לכן, נתוני סיליקון שליליים של 0.8 וולט חשובים יותר לתכנון התא.
איך לעשות תחמוצת סיליקון טרום ליתיום? עם העלייה בתכולת הפרליתיום, אין מנוס מכך שייווצרו שלבי סיליקט שונים, וכאשר פריליתיום נוסף יוצר שלב 414, ניתן למצוא מתרשים הפאזות שבהכרח יהיה יצירת סגסוגת ליתיום סיליקון, שתשפיע על אחסון ויציבות החומר, ואינו תורם לעיבוד. והאם ניתן לשפר את ההרחבה לאחר קדם ליתיום סיליקו? מהחישוב התיאורטי ניתן למצוא שלמעשה, התרחבות הנפח של חמצן סיליקון טרום ליתיום לא משתנה באופן משמעותי עם העלייה בתכולת הליתיום. להיפך, הבעיה של שאריות אלקלי הנגרמת על ידי סיליקה טרום-ליתיום עצמה תשפיע על ביצועי ההדבקה של הקלסר, אך תחמיר את ההתרחבות של חלק זה.

איך להכין חומר סיליקון טרום ליתיום? אני חושב שגורם הליבה לשלוט בשלב הליתיום סיליקט, קודם כל כדי להפחית את השלב העני בליתיום, מכיוון שהוא יאכל את האלקטרודה החיובית מהיון הליתיום, השני כדי למנוע היווצרות של פאזה עשירה בליתיום, כי זה ישפיע על ביצועי עיבוד, אז אנחנו חושבים שתחמוצת הסיליקון הקדם-ליתיום היא בעיקר 213 פאזה.
השני הוא לשלוט בגודל גביש הסיליקון שלו, אנחנו מנסים להפוך את גודל גביש הסיליקון קטן ככל האפשר, פחות מ-5 ננומטר, אפילו למצב אמורפי, כך שתוכל להפחית את הצטברות המתח, ובסופו של דבר לשפר את מחזור הליתיום.
השלישית היא לשלוט בשארית האלקלי על פני השטח, אם שארית האלקליות גבוהה מדי, היא יגיב עם הקלסר כדי להפחית את ביצועי ההדבקה שלו, ואז ישפיע על מחזור הדם שלו. אם פשוט מצטמצם את שארית האלקלי על פני השטח, ללא ציפוי, עדיין לא ניתן לפתור את בעיית ייצור הגז שלו. לכן, אנחנו צריכים גם לבצע שינויים מתאימים בחומר עצמו כדי לשפר עוד יותר את העיבוד, כגון מוליכים יונים מהירים בשימוש נפוץ או חיפוי פחמן. עם זאת, אנו גם צריכים לייעל את חוזק הציפוי בהתאם, מכיוון שאם נעשה שימוש בתרחיץ בעל שני הברגים, עלולות להיות התנגשויות בין חלקיקים או בין חלקיקים לציוד, מה שעלול להוביל להרס פני השטח של חלקיקי החומר, ובסופו של דבר. גז ההפקה יופק במהלך תהליך אחסון הסלורי.