كنوع من المواد الأنودية المستقبلية ، يمتلك السيليكون قدرة نظرية تبلغ حوالي 4،200 mAh / g ، وهو أكثر من 10 أضعاف من 372 مللي أمبير / غرام من الأنودات الجرافيتية ، وبعد التصنيع ، سيزيد من سعة البطارية بشكل كبير. المشاكل الرئيسية للمواد هي: 1. التوسع الحجمي من 300٪ إلى 400٪ أثناء الشحن والتفريغ 2. قدرة عالية لا يمكن تداركها.كفاءة منخفضة من Coulomb تؤدي إلى فقدان القدرة الفعلية وفترة حياة ضعيفة.بعد صناعة السبائك مع الليثيوم ، يظهر حجم الكريستال السليكوني التغييرات الواضحة ، يمكن أن يتسبب هذا التأثير في الحجم بسهولة في مسحوق مادة السيليكون الأنود ، ويقشر من المجمع الحالي ، وعلاوة على ذلك ، فإن التقلص الناتج عن تأثير حجم السيلكون سيؤدي إلى التدمير المتكرر وإعادة بناء SEI ، وبالتالي زيادة أيون الليثيوم الاستهلاك ، الذي يؤثر في نهاية المطاف على قدرة البطارية.في الوقت الحاضر ، يتم حل المشاكل المذكورة أعلاه عن طريق مسحوق السيليكون النانومتر ، طلاء الكربون السليكون ، المنشطات ، وتحسين اللصق.
من وجهة النظر الهندسية ، من أجل زيادة كثافة الطاقة للبطارية ، يجب التحكم في الكتلة الكلية للقطب أو البطارية ، وتتضمن جودة القطب الكهربائي المادة الفعالة ، والكهارل السائل المملوء في مسام القطب ، والموثق والمضافات الموصلة ، والجامع الحالي. لذلك ، تعتمد كثافة الطاقة للقطب على نسبة الكتلة من المادة النشطة إلى المادة غير النشطة المستخدمة ، وتشمل الطرق الفنية المشتركة لزيادة كثافة الطاقة في القطب المسامي: زيادة سمك القطب (نسبة المواد النشطة / نسبة المجمعات الحالية) وتقليل المسامية (المنحل بالكهرباء / النشاط) نسبة المواد ، ومع ذلك ، بسبب محدودية نقل أيون الليثيوم في القطب ، فإن زيادة سمك القطب وانخفاض المسامية سيقلل من كثافة طاقة البطارية ، وبالإضافة إلى ذلك ، فإن نسبة الاختلاط مع الأنود الجرافيتي ستؤثر على قدرة القطب المركب ومتوسط حجم التمدد. إن تحسين معايير التصميم هذه هو المفتاح لتطوير بطاريات أيونات الليثيوم عالية الطاقة وعالية الطاقة.
هوبنر آخرون النظر السيليكون والجرافيت نسبة خلط للتوسع حجم المواد، لتحديد معايير التصميم الأمثل من الأقطاب الكهربائية التي يسهل اختراقها السيليكون، وهي تحديد "قيمة عتبة تعديلها، منذ السيليكون السلبي توسيع حجم الكهربائي من القطب المسام أصلا وسيتم ملء و انخفاض المسامية، من أجل تجنب الاتصال مع جزيئات الكهربائي ينتج انخفاض حاد في ضغط شديد وتشوه، والمسامية في عملية الشحن، وهناك المسامية الأولية من الأقطاب الكهربائية إلى أدنى حد ممكن. عندما تصميم الكهربائي، يجب أن تكون المسامية أكبر من هذه القيمة. بالإضافة إلى ذلك، يعرف أيضا "معدل عتبة الحالي، من أجل ضمان النسبة الحالية محدودة الانتشار ليست أقل من الحالية المطلوبة لتجنب انخفاض كبير قدرة شحن سريع مرة أخرى لتحليل أثر هذه المعايير تصميم معايير الأداء من السيليكون القطب السالب، واستخدام تحليل العلاقة القياسية لتحسين معايير تصميم القطب الكهربائي لضمان كثافة الطاقة الكهربائية وكثافة الطاقة.
1 ، المسامية
يمكن التعبير عن المسامية و epsilon ؛ 0 من قطب بطارية ليثيوم أيون بواسطة المعادلة (1):
(1)
السادس هو حجم كل قطب كهربائي في مكون المرحلة الصلبة، بما في ذلك السيليكون (سي) والغرافيت (C)، والموثق (B) وكيل موصل (A). V هو جزء لا يتجزأ حجم الطلاء الكهربائي. يفترض أن SOC = 0 و SOC = 1 بين تغيير حجم المكون المرحلة الصلبة منها هو خطية، وحجم المرحلة التوسع مرات ني القيمة الأولية، (السيليكون، الجرافيت، وكيل موصل والموثق وتوسع حجم NSI = 3، كارولنا الشمالية = 0.1، غ = 0، NB = 0)، المسامية الكهربائي ونظر إبسيلون في وقت التوسع، وحجم هذا SOC دولة مختلفة، (SOC) من صيغة (2):
(2)
يفترض أنه في حالة الخارجية للبطارية يحد من التوسع الشامل للبطارية محدودة مرات نانو ثانية (على سبيل المثال، 10٪)، والكثافة الحقيقية للمرحلة صلبة من كل بي (السيليكون، الجرافيت، وكيل موصل، الموثق والمنحل بالكهرباء الكثافة غير ρSi = 2336، ρC = 2200، ρA = 2200، ρB = 1800، ρCC = 8920، ρel = 1500) وإلى نسبة ωi كتلة، لإعطاء صيغة (3):
(3)
وفقا للمعادلة (3)، القطب، lithiation المسامية الأولية المختلفة، والعلاقة بين المسامية من القطب وSOC هو مبين في الشكل 1A، 1B الشكل هو التغيير الهيكلي التخطيطي الموافق المجهرية (على افتراض أن التوسع الشامل من القطب يقتصر على نانوثانية = 10٪). كما يزيد SOC، يتم تقليل المسامية بشكل كبير. المسامية الأولية في حدود 20 إلى 40٪ (المسامية نموذجية أقطاب الجرافيت التجارية)، يتم تقليل المسامية من القطب السيليكون بسرعة عندما التهمة الصفر. قد يسبب مثل هذه العملية الضغوط الميكانيكية أقطاب داخلية كبيرة، مما تسبب في السيليكون المسحوق، فشل الاتصال الكهربائية وغيرها، بحيث تسوس القدرات. في حالة مسامية متوسطة الأولية (50-70٪)، وانخفاض المسامية هو أقل وضوحا ومع ذلك ، إذا كنت ترغب في الحفاظ على SOC = 1 ، فإن مسامية القطب لا تسقط إلى 0 ، يجب أن تكون المسامية الأولية أكثر من 80٪.
الشكل 1 (أ) تطور المسامية أثناء الترسب عند مسامية أولية مختلفة ؛ (ب) تطور مسامية القطب عند مسامية أولية مختلفة
FIG 2A هو SOC محتوى مختلف السيليكون الكهربائي = علاقة المسامية المسامية الأولية في حالة lithiated، سوف يزيد محتوى السيليكون يؤدي إلى القطب الليثيوم هو أكثر كثافة، أقطاب الجرافيت النقي، وتوسيع حجم الجرافيت من 10٪، إذا كان القطب تحديد حجم التغيير من 10٪ في المسامية لا يغير بعد lithiation. الشكل 2B هو التغيير الشامل في الأقطاب حجم التي تحدد قيم مختلفة (0٪، 10٪، 20٪) المقبل، SOC المحتوى من ثلاثة السيليكون مختلفة القطب دولة lithiated = 1 العلاقة بين المسامية السفلية والمسامية الأولية ، كلما قل حجم تغيير الحجم الإجمالي للقطب الكهربائي ، كلما قلت مسامية القطب بعد الترسيب.
SOC FIG 2 (أ) مع مختلف محتويات سي القطب = العلاقة بين المسامية المسامية الأولية في حالة lithiated؛ SOC تحت (ب) يختلف عن قيمة الحد تغيير الحجم الكلي (م) = الكهربائي المسام دولة lithiated العلاقة بين المعدل والمسامية الأولية
2 ، توزيع بالكهرباء لي
Lithiation، يتم إدراج أيونات الليثيوم في المادة الفعالة من بالكهرباء، وتركيز الليثيوم في بالكهرباء في مسام انخفاض القطب. يتم تشكيل التدرج التركيز على القطب كله قطعة، مما أدى إلى نشر الليثيوم في القطب السالب. إذا كان تركيز الليثيوم في بالكهرباء ينخفض إلى الصفر ، رد فعل الإدراج الليثيوم. وهكذا، يمكن التعبير عن الحد الأقصى الحالي يصل الى حدود ما يسمى jlim الحالي نشر مثل صيغة (4)، ومعامل الانتشار الفعال تتعلق المسامية.
(4)
الشكل 3 رسم تخطيطي لتوزيع خسارة تركيز الليثيوم المنحل بالكهرباء أثناء الشحن المستمر للتيار عند مسامية مختلفة
FIG 3 هو الليثيوم توزيع تركيز بالكهرباء في تيار مستمر مختلفة شحن المسامية التخطيطي، والليثيوم النقل تحت (أ) المسامية كبيرة في القطب تركيز الليثيوم كاف في ختام بالكهرباء إلى القيمة الأولية. (B) تقليل المسامية، عندما انخفض تركيز أيونات الليثيوم المنحل بالكهرباء يتم تشكيل تركيز الانحدار. (ج) الحد استمر المسامية، وتركيز الليثيوم داخل القطب قريبة إلى 0. (د) المسامية منخفضة جدا، ويتم تقليل تركيز الليثيوم في جميع أنحاء القطب بسرعة إلى الصفر .
الشكل 4 تطور معدل التيار المحدود الانتشار أثناء الترسب عند المسامية الأولية المختلفة
يبين الشكل 4 تطور معدلات التيار المحدود خلال الترسب عند المسامية الأولية المختلفة ، مع زيادة SOC ، ينخفض أداء المعدل ، على سبيل المثال عند المسامية الأولية و epsilon ؛ 0 = 80٪ ، SOC = 0 الحد الأقصى للتيار المحدود للانتشار هو 9.6 درجة مئوية ، و SOC = 1 حوالي 0.85C.
الشكل 5 (أ) الانتشار الحد من التكبير والمسامية الأولية تحت سماكة القطب مختلفة و (ب) محتويات السيليكون المختلفة
FIG 5 هو زيادة التيار في الأقطاب المختلفة مع سماكة مختلفة ونشرها تحد من مضمون التكبير السيليكون من المسامية الأولية للعلاقة مع زيادة الأداء الأولي معدل المسامية. في بعض المسامية الأولية، القطب مع سمك محدودة الانتشار انخفاض المسام سميكة خاصة أو صغيرة ولا سيما من جانب القطب نشر يحد بشكل عام الأقصى المسؤول عن تصريف معدل SOC = 1 في الانخفاض الحاد. بالإضافة إلى ذلك، فإن الزيادة من المواد الجرافيت مركب يمكن أن تحسن كبير في أداء التكبير القطب.
الخلاصة: ونظرا لتوسع حجم هائل من تأثير السيليكون الأنود، فإن عملية التوسع يقلل من مسامية من القطب، وزيادة التوتر بين الجسيمات، مما أدى إلى مسحوق الكربون السيليكون للحصول على القطب السالب، وينبغي تصميم القطع قطب بطارية من الأنود الجرافيت. أكبر المسامية تحسب من الناحية النظرية، بالنظر إلى حجم وقدرة جماعية محددة، المقابلة لوجود محتوى السيليكون مختلفة من السعة القصوى في هذه الحالة القطب الذي يحسن سمك والمسامية هو مبين في الجدول رقم 1. (تحليل: mikowoo).
الجدول 1 السعة القصوى القصوى وسماكة القطب المثلى ومسامية للأنودات السليكونية الكربونية بمحتويات سيليكون مختلفة
