سیلیکون به عنوان یک ماده منفی الکترود در آینده، گرم ظرفیت نظری در مورد 4200mAh / گرم، بیش از 10 برابر بیشتر از مبتنی بر گرافیت الکترود منفی 372mAh / گرم، که پس از صنعت، تا حد زیادی افزایش ظرفیت باتری خواهد شد. با این حال، در حال حاضر سیلیکون مشکلات اصلی مواد: 1، در زمانی که شارژ و دشارژ، گسترش حجم 300٪ -400٪، 2، ظرفیت بالا غیر قابل برگشت و بهره وری کولمبیک (coulombic) به دلیل از دست دادن واقعی کم ظرفیت و چرخه عمر فقیر پس از آلیاژی با لیتیوم، حجم کریستال سیلیکون رخ می دهد. تغییر قابل توجهی است، اثر حجم که به راحتی باعث پودر بزنید سیلیکون مواد آند و پوست کنده از کلکتور. با توجه به حجم از سیلیکون و اثر پوسته پوسته شدن ناشی از بارها و بارها باعث تخریب و بازسازی SEI، که موجب افزایش یون لیتیوم مصرف، در نهایت بر ظرفیت باتری تاثیر می گذارد. در حال حاضر مشکلات بالا با استفاده از پودر سیلیکون نانومتری، پوشش کربن سیلیکون، دوپینگ و بهینه سازی چسب ها حل می شود.
از نقطه نظر مهندسی، به منظور افزایش چگالی انرژی باتری، لازم برای کنترل کل جرم الکترود و یا یک باتری، متشکل از جرم فعال از مواد الکترود پر در منافذ الکترولیت الکترود مایع، چسب و افزودنی رسانا، و یک جمع جاری است. بنابراین، چگالی انرژی الکترود بستگی به نسبت جرم از مواد فعال و مواد غیر فعال به کار برای افزایش چگالی انرژی الکترود متخلخل روشهای فنی مشترک: افزایش ضخامت الکترود (مواد فعال / نسبت کلکتور) و کاهش تخلخل (الکترولیت / فعالیت نسبت مواد). با این حال، با توجه به محدودیت های حمل و نقل یون لیتیوم در الکترود و افزایش ضخامت الکترود تخلخل از کاهش تراکم قدرت سلول کاهش می دهد. علاوه بر این، نسبت اختلاط آند گرافیت ممکن است ظرفیت الکترود کامپوزیت و گسترش حجم متوسط تاثیر می گذارد. بنابراین، بهینه سازی این پارامترهای طراحی، کلید توسعه باتری های لیتیوم یون با قدرت بالا است.
Heubner و همکاران در نظر سیلیکون و گرافیت مخلوط کردن نسبت به گسترش حجم مواد، برای تعیین معیارهای طراحی بهینه از سیلیکون الکترود متخلخل. "ارزش آستانه اصلاح شده 'تعریف آنها، از سیلیکون منفی افزایش حجم الکترود الکترود در اصل منافذ پر خواهد شد و کاهش تخلخل، به منظور اجتناب از تماس با ذرات الکترود تولید افت شدید استرس شدید و تغییر شکل، و تخلخل در فرآیند شارژ، یک تخلخل اولیه از الکترود را به حداقل وجود دارد. زمانی که طراحی الکترود، تخلخل باید بیشتر از این مقدار باشد. علاوه بر این، همچنین "نرخ آستانه فعلی"، به منظور تعریف برای اطمینان از نسبت جاری، پخش محدود است کمتر از جریان مورد نیاز برای جلوگیری از کاهش قابل ملاحظه ظرفیت سریع شارژ دوباره به تجزیه و تحلیل تاثیر این معیارها طراحی پارامترهای عملکرد الکترود سیلیکونی منفی نیست، و بهینه سازی پارامترهای طراحی الکترود برای اطمینان از چگالی انرژی و چگالی توان از الکترود با استفاده از تجزیه و تحلیل بر اساس معیارهای رابطه.
1 تخلخل
تخلخل از لیتیوم یون باتری و الکترود اپسیلون؛ 0 می توان با فرمول (1) نشان داده شده است:
(1)
ششم حجم هر الکترود در جزء فاز جامد، از جمله سیلیکون (SI)، گرافیت (C)، چسب (B) و یک عامل رسانا (A) است. V انتگرال حجم پوشش الکترود است. فرض میکنیم SOC = 0 و SOC = 1 بین تغییر حجم جزء فاز جامد مربوطه خطی است، حجم فاز توسعه است بار نیکل مقدار اولیه، (سیلیکون، گرافیت، عامل رسانا و چسب حجم گسترش NSI = 3، NC = 0.1، NA = 0، NB = 0)، تخلخل الکترود و در نظر گرفتن اپسیلون در زمان توسعه، حجم این SOC های مختلف دولت؛ (SOC) از فرمول (2):
(2)
فرض میکنیم در مورد بیرونی باتری را محدود گسترش کلی باتری NS محدود بار (به عنوان مثال، 10٪)، چگالی واقعی از فاز جامد از هر عدد پی (سیلیکون، گرافیت، یک عامل رسانا، یک چسباننده و یک الکترولیت تراکم است ρSi = 2336، ρC = 2200، ρA = 2200، ρB = 1800، ρCC = 8920، ρel = 1500) و به درصد ωi جرم، به فرمول (3):
(3)
با توجه به معادله (3)، الکترود، لیتیم تخلخل اولیه مختلف، رابطه بین تخلخل از الکترود و SOC نشان داده شده در شکل 1a، شکل b1 یک تغییر ساختاری شماتیک مربوط به ساختار (فرض کنید که گسترش کلی الکترود به ns = محدود است 10٪). به عنوان SOC را افزایش می دهد، تخلخل به طور قابل توجهی کاهش می یابد. تخلخل اولیه در محدوده 20 تا 40 درصد (تخلخل معمولی الکترودهای گرافیت تجاری)، تخلخل از الکترود سیلیکونی به سرعت در حال کاهش زمانی که شارژ صفر است. چنین فرآیندی ممکن است تنش های مکانیکی الکترود داخلی بزرگ شود، باعث سیلیکون ساییده، تماس با شکست الکتریکی، و غیره، به طوری که پوسیدگی ظرفیت. در مورد تخلخل متوسط اولیه (50-70٪)، کاهش تخلخل کمتر آشکار است با این حال، اگر شما می خواهید برای حفظ SOC = 1، تخلخل الکترود به 0 نمی افتد، تخلخل اولیه نیاز به بیش از 80٪ است.
شکل 1 (a) تکامل تخلخل در هنگام لیتیزاسیون در تخلخل های مختلف اولیه؛ (ب) تکامل تخلخل الکترود در تخریب های مختلف اولیه
است 2A یک SOC مختلف محتوای سیلیکون الکترود = رابطه تخلخل تخلخل اولیه در حالت lithiated است، محتوای سیلیکون افزایش خواهد به الکترود لیتیوم منجر متراکم تر، الکترودهای گرافیت خالص، افزایش حجم گرافیت 10٪ است، اگر الکترود تعریف یک تغییر حجم از 10٪ به تخلخل پس از لیتیم را تغییر دهید. شکل b2 یک تغییر کلی در ساخت الکترودهای حجم تعریف مقادیر مختلف (0٪، 10٪، 20٪) بعد، SOC از محتوای سه الکترود سیلیکونی مختلف دولت = 1 lithiated است رابطه بین تخلخل پایین و تخلخل اولیه، هرچه میزان تغییر حجم کل الکترود کوچکتر باشد، تخلخل الکترود بعد از لایتسیون کوچکتر است.
SOC است 2 (الف) با محتویات مختلف سی الکترود = رابطه تخلخل تخلخل اولیه در حالت lithiated؛ SOC تحت (ب) متفاوت از تغییر حجم کلی مقدار آن از حد (NS) الکترود = منافذ دولت lithiated رابطه بین سرعت و تخلخل اولیه
2، توزیع الکترولیت لی
لیتیم، یونهای لیتیوم را به مواد فعال از الکترولیت، غلظت لیتیوم در الکترولیت در منافذ کاهش الکترود وارد می شود. شیب غلظت موجود در کل قطعه قطب تشکیل، در اشاعه لیتیوم به الکترود منفی می شود. اگر غلظت لیتیوم در الکترولیت قطره به صفر ، واکنش درج لیتیوم. بنابراین، حداکثر جریان تا حد از به اصطلاح نفوذ jlim فعلی ممکن است به عنوان فرمول (4)، مربوط به تخلخل ضریب نفوذ موثر بیان شده است.
(4)
الکترولیت لیتیوم از دست دادن غلظت نمای شماتیک مشخصات یک شارژ جریان ثابت در تخلخل مختلف 3
3-توزیع غلظت الکترولیت لیتیم در حال حاضر متفاوت ثابت شارژ تخلخل شماتیک، لیتیوم حمل و نقل تحت یک تخلخل بزرگ در الکترود غلظت لیتیوم کافی در نزدیک الکترولیت به مقدار اولیه (B) کاهش تخلخل است، زمانی که غلظت یون لیتیوم الکترولیت کاهش گرادیان غلظت تشکیل شده است. (ج) کاهش تخلخل ادامه داشت، غلظت لیتیوم در داخل الکترود نزدیک به 0. (د) تخلخل بسیار پایین، غلظت لیتیوم در سراسر الکترود به سرعت به صفر کاهش می یابد .
مختلف است تخلخل اولیه. 4، روند لیتیوم انتشار حد تکامل نرخ فعلی
شکل 4 تخلخل اولیه متفاوت، لیتیم را افزایش می دهد به عنوان SOC، نرخ عملکرد تخریب انتشار حد تکامل نرخ فعلی، برای مثال، در یک تخلخل اولیه و اپسیلون است. .. در 0 = 80٪، SOC = 0 الکترود حداکثر جریان است انتشار 9.6C و SOC = 1 به مورد 0.85C محدود شده است.
شکل 5 (a) و (ب) محتوای سیلیکون انتشار مختلف محدود بزرگنمایی تخلخل اولیه الکترود مختلف رابطه ضخامت
شکل 5 است که به افزایش جریان در الکترود های مختلف با ضخامت و انتشار مختلف محدود کردن محتوای بزرگنمایی سیلیکون از تخلخل اولیه از رابطه با افزایش میزان عملکرد تخلخل اولیه در برخی از تخلخل اولیه، الکترود با ضخامت نفوذ محدود کاهش منافذ ویژه ضخیم و یا بسیار کوچک توسط الکترود نفوذ به طور کلی حداکثر شارژ تخلیه نرخ SOC = 1 در کاهش شدید محدود می کند. علاوه بر این، افزایش مواد کامپوزیت گرافیت به طور قابل توجهی می تواند به بهبود عملکرد بزرگنمایی الکترود می شود.
نتیجه گیری: با توجه به افزایش حجم زیادی از اثر آند سیلیکون، فرایند توسعه را کاهش می دهد تخلخل از الکترود، افزایش استرس بین ذرات، در نتیجه در پودر به دست آمده، کربن سیلیکون برای یک الکترود منفی، قطب باتری باید از آند گرافیت طراحی شده است. تخلخل لحاظ نظری محاسبه می شود، با توجه به حجم و ظرفیت خاص جرم، مربوط به حضور محتوای سیلیکون متفاوت از حداکثر ظرفیت در این مورد الکترود است که بهینه سازی ضخامت و تخلخل نشان داده شده در جدول 1. (تجزیه و تحلیل: mikowoo).
جدول 1 حداکثر ظرفیت ویژه و ضخامت الکترودهای مناسب و تخلخل برای آندز سیلیکون کربن با محتویات سیلیکونی مختلف
