भविष्य में एक नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री, के बारे में 4200mAh / जी की जी सैद्धांतिक क्षमता, 10 से अधिक बार ग्रेफाइट आधारित नकारात्मक इलेक्ट्रोड 372mAh / जी, जो उद्योग के बाद, बहुत बैटरी की क्षमता में वृद्धि होगी की तुलना में अधिक के रूप में सिलिकॉन। हालांकि, अब सिलिकॉन सामग्री की मुख्य समस्याओं में: 1, चार्ज और निर्वहन, 300% -400% की मात्रा विस्तार जब; लिथियम के साथ alloying के बाद क्षमता और गरीब चक्र जीवन के कम वास्तविक नुकसान की वजह से 2, अपरिवर्तनीय उच्च क्षमता और Coulombic दक्षता, सिलिकॉन क्रिस्टल मात्रा होती है। महत्वपूर्ण परिवर्तन, मात्रा प्रभाव इतनी आसानी से powdering सिलिकॉन एनोड सामग्री का कारण है, और कलेक्टर से खुली। सिलिकॉन की मात्रा के बाद से और flaking बार-बार की वजह से प्रभाव विनाश और एसईआई के पुनर्निर्माण का कारण है, जिससे लिथियम आयनों में वृद्धि उपभोग, अंततः बैटरी की क्षमता को प्रभावित करता है। वर्तमान में, उपरोक्त समस्याओं को नैनोमीटर सिलिकॉन पाउडर, सिलिकॉन कार्बन कोटिंग, डोपिंग और चिपकने वाला अनुकूलन के माध्यम से हल किया जा रहा है।
देखने का एक इंजीनियरिंग बिंदु, क्रम में बैटरी की ऊर्जा घनत्व, आवश्यक इलेक्ट्रोड या एक बैटरी के कुल द्रव्यमान नियंत्रित करने के लिए, इलेक्ट्रोड इलेक्ट्रोड तरल इलेक्ट्रोलाइट, एक बांधने की मशीन और एक प्रवाहकीय additive, और एक वर्तमान कलेक्टर के छिद्रों में भरा सामग्री के एक सक्रिय जन शामिल बढ़ाने के लिए से। इस प्रकार, इलेक्ट्रोड की ऊर्जा घनत्व सक्रिय सामग्री और गैर सक्रिय झरझरा इलेक्ट्रोड आम तकनीकी दृष्टिकोण के ऊर्जा घनत्व को बढ़ाने के लिए कार्यरत सामग्री की बड़े पैमाने पर अनुपात पर निर्भर करता है कर रहे हैं: इलेक्ट्रोड (सक्रिय सामग्री / वर्तमान कलेक्टर अनुपात) की मोटाई में वृद्धि और सरंध्रता को कम (इलेक्ट्रोलाइट / गतिविधि सामग्री अनुपात)। हालांकि, इलेक्ट्रोड के भीतर लिथियम आयन परिवहन की सीमाओं, और इलेक्ट्रोड मोटाई बढ़ जाती है सेल ऊर्जा घनत्व में कमी की सरंध्रता कम हो जाएगा की वजह से। इसके अलावा, ग्रेफाइट एनोड के मिश्रण अनुपात समग्र इलेक्ट्रोड और औसत मात्रा विस्तार की क्षमता को प्रभावित कर सकता है। इस प्रकार इन डिज़ाइन पैरामीटर को अनुकूलित करना उच्च ऊर्जा वाली उच्च-शक्ति लिथियम-आयन बैटरी विकसित करने की कुंजी है।
Heubner एट अल सामग्री की मात्रा विस्तार की सिलिकॉन और ग्रेफाइट मिश्रण अनुपात पर विचार, सिलिकॉन झरझरा इलेक्ट्रोड का इष्टतम डिजाइन मानदंडों निर्धारित करने के लिए। वे, 'संशोधित सीमा मान' को परिभाषित के बाद से इलेक्ट्रोड की सिलिकॉन नकारात्मक इलेक्ट्रोड मात्रा विस्तार मूल रूप से pores भरा है और हो जाएगा कम सरंध्रता, आदेश इलेक्ट्रोड कणों के साथ संपर्क से बचने के लिए चार्ज की प्रक्रिया में गंभीर तनाव और विरूपण, और सरंध्रता में तेजी से गिरावट का उत्पादन किया, एक न्यूनतम करने के लिए इलेक्ट्रोड की एक प्रारंभिक सरंध्रता होती है। जब इलेक्ट्रोड डिजाइन, सरंध्रता इस मान से अधिक होना चाहिए। इसके अलावा, भी क्रम में 'वर्तमान सीमा दर' को परिभाषित करता है सुनिश्चित करने के लिए प्रसार-सीमित वर्तमान अनुपात वर्तमान तेजी से फिर से चार्ज सिलिकॉन नकारात्मक इलेक्ट्रोड के प्रदर्शन मानकों के इन डिजाइन मानदंडों के प्रभाव का विश्लेषण करने के लिए काफी हद तक कम क्षमता से बचने के लिए आवश्यक से कम नहीं है, और इलेक्ट्रोड डिजाइन मानकों के अनुकूलन ऊर्जा घनत्व और इलेक्ट्रोड संबंध मानदंडों के आधार पर विश्लेषण का उपयोग करने की शक्ति घनत्व सुनिश्चित करने के लिए।
1, सरंध्रता
बैटरी इलेक्ट्रोड और एप्सिलॉन आयन लिथियम की सरंध्रता, 0 सूत्र (1) द्वारा प्रतिनिधित्व किया जा सकता है:
(1)
Vi ठोस चरण घटक में प्रत्येक इलेक्ट्रोड की मात्रा, सिलिकॉन (Si), ग्रेफाइट (सी), बांधने की मशीन (बी) और एक प्रवाहकीय एजेंट (ए) भी शामिल है। वी इलेक्ट्रोड कोटिंग की मात्रा अभिन्न अंग है। मान लिया है कि एसओसी = 0 और एसओसी = 1 संबंधित ठोस चरण घटक की मात्रा परिवर्तन के बीच रैखिक है, विस्तार चरण की मात्रा है नी बार प्रारंभिक मूल्य, (सिलिकॉन, ग्रेफाइट, प्रवाहकीय एजेंट और बांधने की मशीन मात्रा विस्तार NSI = 3 कर रहे हैं, NC = 0.1, ना = 0, नायब = 0), इलेक्ट्रोड सरंध्रता और विस्तार के समय में एप्सिलॉन विचार, इस अलग राज्य एसओसी की मात्रा; (SOC) सूत्र के (2):
(2)
ग्रहण बैटरी के बाहरी मामले में सीमित करता है कि बैटरी के समग्र विस्तार सीमित एनएस बार (उदाहरण के लिए, 10%), प्रत्येक पाइ की ठोस चरण (सिलिकॉन, ग्रेफाइट, एक प्रवाहकीय एजेंट, एक बांधने की मशीन का सच घनत्व और एक इलेक्ट्रोलाइट घनत्व है है ρSi = 2336, ρC = 2200, ρA = 2200, ρB = 1800 ρCC = 8920, ρel = 1500) और बड़े पैमाने पर प्रतिशत ωi में, सूत्र देने के लिए (3):
(3)
समीकरण के अनुसार (3), इलेक्ट्रोड, विभिन्न प्रारंभिक सरंध्रता lithiation, इलेक्ट्रोड की सरंध्रता और SOC चित्रा 1 ए में दिखाया गया है के बीच के रिश्ते, चित्रा 1b एक योजनाबद्ध संरचनात्मक परिवर्तन सूक्ष्म करने के लिए इसी (यह मानते हुए कि इलेक्ट्रोड के समग्र विस्तार के लिए एनएस = सीमित है है 10%)। एसओसी बढ़ जाती है के रूप में, सरंध्रता काफी कम है। 20 से 40% (सरंध्रता ठेठ वाणिज्यिक ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड की रेंज) में प्रारंभिक सरंध्रता, सिलिकॉन इलेक्ट्रोड की सरंध्रता तेजी से कम हो जाता है जब प्रभारी शून्य। ऐसी प्रक्रिया यांत्रिक तनाव बड़ा आंतरिक इलेक्ट्रोड का कारण हो सकता,, चूर्णित सिलिकॉन, बिजली के संपर्क विफलता, आदि के कारण तो यह है कि क्षमता क्षय। प्रारंभिक मध्यम सरंध्रता (50-70%) के मामले में, सरंध्रता कमी कम स्पष्ट है हालांकि, एसओसी = 1 बनाए रखने के लिए, इलेक्ट्रोड की सरंध्रता घटकर शून्य हो जाता है, 80% या अधिक से अधिक की एक आरंभिक सरंध्रता की आवश्यकता है।
(ए) सरंध्रता विभिन्न प्रारंभिक सरंध्रता lithiation अंजीर के विकास 1;। एक इलेक्ट्रोड सरंध्रता विकास चित्रण (ख) विभिन्न प्रारंभिक सरंध्रता
चित्र 2A एक एसओसी विभिन्न सिलिकॉन सामग्री एक lithiated राज्य में इलेक्ट्रोड = संबंध सरंध्रता प्रारंभिक सरंध्रता है, सिलिकॉन सामग्री बढ़ जाती है लिथियम इलेक्ट्रोड को बढ़ावा मिलेगा अधिक सघन, शुद्ध ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड, ग्रेफाइट मात्रा 10% का विस्तार, है अगर इलेक्ट्रोड सरंध्रता में 10% की मात्रा परिवर्तन को परिभाषित करने lithiation के बाद नहीं बदलता है। अंजीर। 2b मात्रा इलेक्ट्रोड विभिन्न मूल्यों (0%, 10%, 20%) को परिभाषित करने में एक समग्र परिवर्तन अगले तीन अलग-अलग सिलिकॉन इलेक्ट्रोड lithiated राज्य = 1 की सामग्री के एसओसी है प्रारंभिक सरंध्रता की सरंध्रता के बीच के रिश्ते, इलेक्ट्रोड की कुल मात्रा को परिभाषित करता है एक परिवर्तन मूल्य में छोटा होता है, लिथियम इलेक्ट्रोड कम सरंध्रता कम।
एसओसी चित्र 2 (क) विभिन्न सी सामग्री इलेक्ट्रोड = एक lithiated राज्य में प्रारंभिक सरंध्रता की सरंध्रता के बीच संबंध के साथ;। के तहत (ख) कुल मात्रा परिवर्तन सीमा मूल्य से अलग (एनएस) इलेक्ट्रोड = ताकना एक lithiated राज्य एसओसी प्रारंभिक सरंध्रता की दर के बीच संबंध
2, इलेक्ट्रोलाइट ली का वितरण
Lithiation, लिथियम आयनों इलेक्ट्रोलाइट, इलेक्ट्रोड कमी के छिद्रों में इलेक्ट्रोलाइट में लिथियम एकाग्रता से सक्रिय सामग्री में डाला जाता है। एक सघनता ढाल, पूरी पोल टुकड़े पर बनाई है नकारात्मक इलेक्ट्रोड में लिथियम के प्रसार में जिसके परिणामस्वरूप। इलेक्ट्रोलाइट में लिथियम एकाग्रता शून्य आ जाता है , लिथियम प्रविष्टि प्रतिक्रिया। इस प्रकार, अधिकतम वर्तमान अप तथाकथित प्रसार वर्तमान jlim की सीमा के सूत्र (4), सरंध्रता से संबंधित प्रभावी प्रसार गुणांक के रूप में व्यक्त किया जा सकता है।
(4)
चित्र 3 विभिन्न porosities पर लगातार चालू चार्जिंग के दौरान इलेक्ट्रोलाइट लिथियम एकाग्रता के नुकसान वितरण के योजनाबद्ध आरेख
चित्र 3, विभिन्न निरंतर वर्तमान में एक लिथियम इलेक्ट्रोलाइट एकाग्रता वितरण योजनाबद्ध सरंध्रता, प्रारंभिक मूल्य को इलेक्ट्रोलाइट पास में इलेक्ट्रोड पर्याप्त लिथियम एकाग्रता में (क) बड़े सरंध्रता के तहत परिवहन लिथियम। (बी) चार्ज सरंध्रता को कम है जब इलेक्ट्रोलाइट की लिथियम आयन एकाग्रता की कमी हुई सघनता अनुपात का गठन किया गया है। (ग) को कम सरंध्रता जारी किया गया था, इलेक्ट्रोड के लिए 0. (घ) पास एक बहुत कम सरंध्रता अंदर लिथियम एकाग्रता, इलेक्ट्रोड भर लिथियम एकाग्रता तेजी से शून्य करने के लिए कम हो जाता है ।
चित्रा 4 विभिन्न प्रारंभिक porosities पर लिथेशन के दौरान प्रसार-सीमित वर्तमान दर का विकास
अंजीर 4 एक अलग प्रारंभिक सरंध्रता, एसओसी के रूप में lithiation बढ़ जाती है, दर गिरावट प्रसार विकास सीमा मौजूदा दर प्रदर्शन, उदाहरण के लिए, एक प्रारंभिक सरंध्रता और एप्सिलॉन में है, .. 0 = 80% से कम, एसओसी = 0 इलेक्ट्रोड प्रसार-सीमित अधिकतम वर्तमान 9.6 सी है, और एसओसी = 1 लगभग 0.85 सी है।
चित्र 5 (ए) अलग इलेक्ट्रोड मोटाई के तहत विघटन सीमित आवर्धन और प्रारंभिक porosity और (बी) विभिन्न सिलिकॉन सामग्री
अंजीर 5 अलग अलग मोटाई और प्रसार प्रारंभिक सरंध्रता दर प्रदर्शन की वृद्धि के साथ रिश्ते की प्रारंभिक सरंध्रता की आवर्धन सिलिकॉन सामग्री सीमित के साथ अलग अलग इलेक्ट्रोड पर वर्तमान को बढ़ाने के लिए है। निश्चित प्रारंभिक सरंध्रता में, प्रसार-सीमित मोटाई के साथ इलेक्ट्रोड प्रसार इलेक्ट्रोड के द्वारा कम विशेष रूप से मोटी या विशेष रूप से छोटे छिद्रों के आम तौर पर अधिक से अधिक चार्ज-डिस्चार्ज दर एसओसी = 1 तेजी से गिरावट में सीमित करता है। साथ ही, ग्रेफाइट कंपोजिट सामग्री की वृद्धि काफी इलेक्ट्रोड आवर्धन के प्रदर्शन में सुधार कर सकते हैं।
निष्कर्ष: सिलिकॉन एनोड प्रभाव की भारी मात्रा विस्तार को देखते हुए, विस्तार प्रक्रिया, इलेक्ट्रोड की सरंध्रता कम कर देता है कणों के बीच तनाव बढ़ रही है, इस प्रकार पाउडर, जिसके परिणामस्वरूप एक नकारात्मक इलेक्ट्रोड के लिए सिलिकॉन कार्बन, बैटरी पोल टुकड़े ग्रेफाइट एनोड से तैयार किया जाना चाहिए। बड़े सरंध्रता सैद्धांतिक रूप से गणना की, मात्रा और बड़े पैमाने पर विशिष्ट क्षमता को देखते हुए अधिकतम क्षमता से अलग सिलिकॉन सामग्री की उपस्थिति के लिए इसी इस मामले में इलेक्ट्रोड होता है जो मोटाई और सरंध्रता का अनुकूलन तालिका 1 में दिखाया गया है (विश्लेषण: mikowoo)।
तालिका 1 विभिन्न सिलिकॉन कार्बन इलेक्ट्रोड की अधिकतम प्राप्त क्षमता की तुलना में नकारात्मक इलेक्ट्रोड सिलिकॉन सामग्री और उसके के इष्टतम मोटाई और सरंध्रता इसी
