Kompressions- och konduktivitetsanalys av kiselkol och kiseloxidmaterial
Litiumjonbatterierhar gradvis använts i stor utsträckning i bärbara elektroniska produkter och elfordon på grund av deras höga energitäthet, långa livslängd, miljöskydd och andra fördelar. För närvarande har kapaciteten hos litiumjonbatterier med grafitmaterial som negativ elektrod gradvis inte kunnat uppfylla kraven på lång batterilivslängd för elfordon. Kiselbaserade material är de mest potentiella nästa generations litiumjonbatterier på grund av deras fördelar med stor specifik kapacitet, låg urladdningsplattform och riklig energilagring.
Batterianodmaterial. Den kommersiella användningen av kiselbaserade material har dock varit kraftigt begränsad på grund av sina egna faktorer. För det första den stora volymförändringen i processen för litiumavinterkalering, som lätt leder till partikelpulverisering, separering av aktiva material från strömavtagare, och den kontinuerliga produktionen av SEI-filmer, som så småningom leder till elektriska De kemiska egenskaperna minskar, som visas i Figur 1 för felmekanismen för kisel; dessutom är konduktiviteten hos kiselbaserade material relativt låg, och diffusionshastigheten för litium i kisel är relativt låg, vilket inte bidrar till transporten av litiumjoner och elektroner; för förekomsten av elementärt kisel. Volymexpansionen av kiselkarbid leder till problemet med dålig cykelstabilitet.
För närvarande är de viktigaste lösningarna nanometerisering och kompoundering. Den praktiska tillämpningen är främst att förbättra dess konduktivitet och litiumjontransport genom att dopa med kolmaterial eller designa och modifiera de strukturella ändarna av kiselmaterial. sex. Detta papper kombinerar huvudsakligen kiselkolmaterial med olika dopningsförhållanden och kiseloxidbaserade material med olika sintringsprocesser, kombinerat med svepelektronmikroskopi, pulverkonduktivitet, packningsdensitet och annattestutrustning , från morfologin, elektronisk konduktivitet, packningsdensitet och kompression. Systematisk provning och analys av material vad gäller prestanda.
Figur 1. Si-elektrodfelmekanism:
(a) Materialkrossning; (b) Morfologi och volymförändring av hela Si-elektroden; (c) SEI kontinuerlig tillväxt¹
1. Testmetod
1.1 SEM-morfologitest av SiO-material och Si/C-material.
1.2 Använd PRCD3100 (IEST) för att testa materialets konduktivitet, packningsdensitet och kompressionsprestanda..
Testutrustningen visas i figur 2. Testparametrar: tryckintervallet är 10~200MPa, intervallet är 10MPa och trycket bibehålls i 10s.
Figur 2. (a) Utseende av PRCD3100; (b) Struktur för PRCD3100
2. Testresultat
2.1 Silicon Carbon Anod Material
Bland de nya anodmaterialen har kiselanoden väckt stor uppmärksamhet av forskare med sin ultrahöga teoretiska specifika kapacitet på 4200mAh/g; för kiselanoden kommer den enorma volymexpansionen som följer med laddnings- och urladdningsprocessen att generera stora mekaniska påfrestningar. pulveriseras det aktiva materialet och tappar kontakten med strömavtagaren, vilket resulterar i en snabb minskning av elektrodens reversibla kapacitet. I detta experiment testade kiselhalten 3 % (SiC-1), 6 % (SiC-2), 10 % (SiC-3 ) av tre kisel-kol-hybridmaterial för att testa skillnaderna i deras elektroniska ledningsförmåga, packningsdensitet och tryckegenskaper.
Kombinerat med svepelektronmikroskop jämfördes skillnaderna i morfologitest av de tre materialen respektive. Eftersom kiselhalten i de tre materialen inte är hög, och skillnaden i provberedning är inblandad, kan ingen uppenbar skillnad ses under elektronmikroskopet. Figur 3 visar SEM-morfologibilderna under olika förstoringar under 6% kiselinnehåll, där kiselmaterialets morfologi är mestadels sfärisk och partikelstorleken är 5-10 μm. Expansionssprickningen av kiselpartiklar är ofta relaterad till storleken på partiklarna. Generellt sett är sprickningen av större μm-storlekar kiselpartiklar allvarligare, medan nanostora partiklar mindre än ett visst kritiskt värde kommer att ha färre sprickor.
Figur 3. SEM-bilder av samma kisel-kol-hybridmaterial vid olika förstoringar
För att ytterligare utvärdera skillnaden mellan blandade material med olika kiselinnehåll, använder denna del PRCD-seriens pulverresistivitet och kompakteringsdensitet dubbelfunktionsutrustning för att utvärdera den elektriska ledningsförmågan, packningsdensiteten och kompressionsprestanda, som visas i figur 4 och tabell 1 för de tre materialen respektive Jämfört med spännings-töjningskurvan och deformationssituationen, är den elastiska och plastiska deformationen av de tre materialen inte mycket olika ur perspektivet av deformationsförhållandet, vilket visar att tillsatsen av en liten mängd kiselkulor har liten effekt på den totala deformationen av kolmaterialet.
Tabell 1. Sammanfattning av deformationsdata för tre kisel- och kolhybridmaterial
Figur 4. Spännings-töjningskurvor för tre kisel-kol-hybridmaterial
Figur 5 visar mätresultaten av resistiviteten och packningsdensiteten för de tre materialen som en funktion av trycket. Det kan ses av figur (A) att med ökningen av andelen kisel försämras konduktiviteten hos det blandade materialet gradvis, vilket främst beror på Eftersom konduktiviteten hos kiselmaterial är dålig, när dess andel ökar, blir den totala prestandan av hybridmaterialet försämras. När det gäller mätresultaten av packningsdensiteten för de tre materialen (B) kan man se att med ökningen av andelen kiselmaterial har packningsdensiteten en betydligt mindre trend, vilket främst beror på att packningsdensiteten för kisel materialet är relativt Kolmaterialet är relativt litet,
Därför måste utformningen och beredningen av polstycket av den negativa kisel-kolkompositelektroden optimera elektrodparametrarna såsom formuleringen av det ledande medlet och poldelens packningsdensitet. Forskningen visar att jämfört med grafitanoden, reducerar kiselkolanoden på lämpligt sätt packningsdensiteten och ökar porositeten, vilket är fördelaktigt för att buffra volymexpansionen av kiselpartiklar och hämma uppkomsten av sprickor. Å ena sidan använder det ledande medlet ett nolldimensionellt ledande medel för att belägga de aktiva partiklarna för att bilda ett kompakt elektroniskt ledningsnätverk med kort räckvidd, medan ett endimensionellt ledande medel som CNT används för att bilda en elektronisk långdistans. ledningsnät från strömavtagaren till hela elektrodens tjocklek.
Figur 5. (A) och (B) är förändringarna av resistivitet och packningsdensitet för tre kisel- och kolblandade material med tryck, respektive
2.2 Kiseldioxidbaserat anodmaterial
Jämfört med elementärt kisel, reagerar den kiselhaltiga oxidbaserade kompositen under den första litiuminterkaleringsprocessen för att generera Li2O, Li4SiO4 och Si in situ, av vilka Li2O och Li4SiO4 är elektrokemiskt inerta komponenter och inte deltar i efterföljande elektrokemiska reaktioner. Det elementära Si är likformigt dispergerat med varandra, vilket buffrar volymexpansionen av elementärt Si under laddnings- och urladdningsprocessen i stor utsträckning, och förbättrar cykelstabiliteten för det totala elektrodmaterialet.
Kiseloxidbaserade material har dock fortfarande en expansionseffekt i processen med litiumavinterkalering, vilket leder till problemet med kapacitetsförsämring och dålig elektrisk ledningsförmåga. Ändrad applikation. Denna del väljer fyra kiseloxidbaserade material SiO-1, SiO-2, SiO-3, SiO-4 belagda med 0,1 % kol på ytan vid olika sintringstemperaturer (materialsintringstemperatur: SiO-1 < SiO-2 Figur 6 visar jämförelsen av skillnaderna i morfologitestet för de fyra materialen. Från morfologiresultaten finns det ingen uppenbar skillnad mellan de fyra materialen. Jämfört med det elementära kiselmaterialet,
Figur 6. SEM-morfologier av fyra SiO-baserade material
På liknande sätt, för kiseldioxidbaserade material, utfördes jämförande testutvärderingar vad gäller tryckegenskaper. Som visas i figur 7 och tabell 2 jämförs spännings-töjningskurvorna och deformationsförhållandena för de fyra materialen. Ur deformationsförhållandets perspektiv, för de fyra materialen med olika sintringstemperaturer, är de övergripande kompressionsegenskaperna hos SiO-2- och SiO-3-materialen. Skillnaden är inte stor, men den maximala deformationen av de två materialen, SiO-1 med den lägsta sintringstemperaturen och SiO-4 med den högsta sintringstemperaturen, skiljer sig signifikant. Den preliminära bedömningen kan vara att med ökningen av sintringstemperaturen blir materialets totala densitet bättre. , ökar materialets kompressionsmotstånd. Från de data som kännetecknar materialets plastiska deformationsparametrar, det vill säga irreversibel deformation, har SiO-4-materialet med en högre sintringstemperatur den minsta plastiska deformationen, medan den elastiska deformationen och reversibla deformationen under inverkan av materialspänning har liten total skillnad från uppgifterna. Men i själva kompressionsprocessen av pulverpartiklar verkar multigravitation tillsammans, och stress är också en process av omfattande förändring, som kan analyseras ytterligare i kombination med andra testmetoder. medan den elastiska deformationen och den reversibla deformationen under inverkan av materialspänning har liten övergripande skillnad från data. Men i själva kompressionsprocessen av pulverpartiklar verkar multigravitation tillsammans, och stress är också en process av omfattande förändring, som kan analyseras ytterligare i kombination med andra testmetoder. medan den elastiska deformationen och den reversibla deformationen under inverkan av materialspänning har liten övergripande skillnad från data. Men i själva kompressionsprocessen av pulverpartiklar verkar multigravitation tillsammans, och stress är också en process av omfattande förändring, som kan analyseras ytterligare i kombination med andra testmetoder.
Tabell 2. Sammanfattning av deformationsdata för fyra SiO2-baserade material
Figur 7. Spännings-töjningskurvor för fyra SiO2-baserade material
Figur 8 visar mätresultaten av resistiviteten och packningsdensiteten för de fyra kiseloxidbaserade materialen som en funktion av trycket. Det kan ses från figur (A) att resistiviteten för de fyra materialen är SiO-1 < SiO-2 < SiO- 3 Figur (B) visar förändringskurvan för den kompakterade densiteten för de fyra materialen med trycket. Det kan tydligt ses av figuren att den totala skillnaden mellan den komprimerade densiteten inte är stor när trycket är litet, och skillnaden mellan den komprimerade densiteten minskas gradvis med ökningen av trycket. Den totala skillnaden är dock mindre än 0,05 g/cm³.
Sammanfattningsvis förbättrar ytbelagda kolmaterial den elektrokemiska prestandan på grund av följande skäl: (1) kolskiktet ger ett elastiskt skal och minskar volymförändringen under legering/avlegering; (2) reducerar interaktionen mellan det aktiva materialet och elektrolytsidoreaktionerna; (3) kolskiktet tillhandahåller ett stort antal litiumjon- och elektrontransportkanaler, vilket förbättrar användbarheten av kisel-syrematerial.
Figur 8. (A) och (B) är resistiviteten och packningsdensiteten för de fyra kiseloxidbaserade materialen som funktion av trycket.
3. Slutsats
Detta dokument använder PRCD3100 för att testa den elektriska ledningsförmågan, packningsdensiteten och kompressionsegenskaperna hos kiselbaserade material, utvärderar skillnadsanalysen av material under olika blandningsförhållanden och olika modifieringsprocessförhållanden, och ger en ny idé för materialmodifiering och skillnadsanalys och utvärdering . riktning.
4. Referenser
1. Wu H, Cui, Y. Designar nanostrukturerade Si-anoder för högenergilitiumjonbatterier. Nano Today, 7, 414-429, (2012).
2. Guerfi A, Hovington P, Charest P, et al. Nanostrukturerade kolbelagda Si- och SiOx-anoder för högenergilitiumjonbatterier. 2011.
3. Lin Ning. Beredning och elektrokemisk prestanda för kiselbaserade anodmaterial för litiumjonbatterier [D]. University of Science and Technology i Kina, 2016.