תפקיד הגראפיין בשיפור ביצועי סוללות ליתיום-סיליקון

הלחצים הבלתי פוסקים לדחיסות אנרגיה גבוהה יותר וחיי מחזור ארוכים יותר בסוללות חדירות הציבו מערכות ליתיום-סימונים בחזית של אחסון האנרגיה של הדור הבא.הרודים של הסיליקון מציעים יכולת ספציפית של כ-3,579 mAh/g (עבור ליברטיציה ספציפית:015FLT:1SiFLT:24FLT:3), כמעט עשר פעמים כי גרף חשמלי קבוע, אך ורק לאחר מכן, הוא בעל גרף חשמלי קבוע, הוא בעל מגבלות גבוהות.

מדוע סיליקון והבעיות

יכולת תיאורטית בלתי-מקבילה

היכולת של הסיליקון לסגסוגת עם ליתיום בטמפרטורת החדר מעניקה לו יכולת בערך סדר גודל גבוה יותר מאשר גרפיט.במצב מואר במלואו (LiveFLT:01503FLT:1SiFLT:2403FLT 3), כל אטום סיליקון יכול להכיל עד 3.75thium אטומי, לתרגם לנפח מורכב שעולה על 8,300 / 3 ימים של קיבולת חשמלית גבוהה (או קיבולת גבוהה) של אלקטרוניקה גבוהה של קיבולת חשמלית (או קיבולת גבוהה יותר) בטווח חשמלי של קיבולת גבוהה יותר של קיבולת חשמלית (או קיבולת גבוהה של קיבולת גבוהה של קיבולת חשמלית).

מעגל הפחתת מכונות

במהלך הטעינה (ליטציה), ליתיום סטיות להוסיף לתוך סיליקון מנוף, להפוך את המבנה קריסטל לתוך סגסוגת amorphous Li-Si מרחיבה את החלקיק. Upon פריקה (הדלמנט), ליתיום מופק, גרימת התכווצות "לחתוך" חוזרת של חלקיקים סיליקון, ופרקים הופכים מבודדים מן הרשת המוליכים.

התנהגות חשמלית ירודה

הסיליקון הוא מוליכים למחצה עם מוליכות חשמלית של בערך 10-3 S / ס"מ בטמפרטורת החדר - פקודות רבות של גודל נמוך יותר מאשר גרפיט. מוליכות נמוכה זו מעכבת העברת אלקטרון לאתרים התגובה, הגדלת ההתנגדות הפנימית וגורם יכולת קצב איטיות. עבור יישומים בעלי עוצמה גבוהה כגון טעינה מהירה, התנהגות ירודה מובילה למתח ולצמצם את יכולת הפחתת השימושיות, תוספים מוליכים באופן כללי (Blackboxs) אך לעתים קרובות הם שינויים מורכבים כדי לשמור על נפח פחמן מעורבבים אלה.

SEI INSTITY

ה-Si-electrolyte Interphase שנוצר על סיליקון ארס הוא לא יציב לחלוטין. כי SEI הוא מכנית, הרחבה התכווצות סדק זה, חשיפת משטחים חדשים סיליקון.כל אזור חדש חשוף חדש יוצר SEI חדש, צריכת ליתיום מן ה- Cathode.זה "excess SEI" לבנות עלייה מחוספסת ומפענחה את האת האת האת האתיום החדש בתא באופן דרמטי, ולכן מקצר את החיים של סטיביים.

Graphene: A Structural and Electronic Remedy

גמישות מכנית וכוח

העוצמה של Graphene ( ⁇ 130 GPa) ומודוללוס גמיש ( ⁇ 1 TPa) להפוך אותו לאחד החומרים החזקים ביותר הידועים, אך הוא נשאר גמיש מאוד.כאשר משולב לתוך aode סיליקון, גליונות גרפין יכולים לעטוף סביב nanoparticles סיליקון, nanowires, או מבנים ⁇ , accommodating את ההתרחבות ללא fracturing.

מוליכים חשמליים

Graphene מציגה תחבורה אלקטרונית בליסטית עם מוליכות מעל 106 S /m - הרבה יותר גבוה פחמן שחור או גרפן. על ידי בניית רשת של גליונות גרפן בתוך ה aode, אלקטרונים יכולים לנסוע במהירות מן האספן הנוכחי לחומר פעיל סיליקון.זה מפחית התנגדות פנימית, משפר את יכולת קצב, ומאפשר העברה יעילה אפילו במידות גבוהות (ממדים פנימיים של ריבועים), כלומר זעירים של מרחק זעירים (nmeter) יכול ליצור גרף זעיר של עובי זעיר של גרף זעיר של עוביים).

שטח שטח שטח גדול וננוור

Graphene יש שטח שטח שטח ספציפי תיאורטי של 2,630 m2 /g. אזור עצום זה ניתן להשתמש כדי לעגן חלקיקים סיליקון, למנוע את ההדבקה שלהם ולהבטיח הפצה אחידה. יתר על כן, הקשר האינטימי בין סיליקון וגרפן מאפשר העברה יעילה אלקטרונים בשכבת הגרף, גם פועל מחסום פיזי חלקי בין סיליקון לבין אלקטרוליטי, פוטנציאל לייצב את SEI - למרות שעדיין מופחתת של תרכובת של גרף גרפיטי, או גרף גרף (חומר גרף), גרף מורכב).

תאימות כימית ותפקוד

Graphene יכול להיות פונקציונלי עם קבוצות המכיל חמצן (כמו גרף oxide, GO) כדי לשפר את הפיזור שלה ב פותרים ואת החוסן שלה עבור מברקים סיליקון. הפחתה בלתי אפשרית (כימיקלים, תרמיים או אלקטרוכימיים) לשחזר מוליכות תוך שמירה על כמה קבוצות חמצן שעשויות לעזור לקשור את SEI נוסף, לעשות גרף (למשל, חנקן, חנקן) מגישה של אתרי חנקן (גרעיני) כדי להעביר תרכובות כימיות נוספות.

עיצוב Graphene-Silicon Composite Anodes

אדריכלות:

אחת האסטרטגיות היעילות ביותר היא לבודד חלקיקים בתוך גרפן ננוגליון, יצירת מבנה "core-shell" או "yolk-shell" לדוגמה, בעיצוב יוגורט-שליש, ננו-חלקיק הסיליקון מכוסה עם שכבת גרף ⁇ ene, ועוזב חלל סביב סיליקון קוגניבה, הוא ממלא את הרקמות ה ⁇ / גרף זה יותר מ-2,000 גרף / גרף של גרף / גרף זה עדיין לא יציב.

רשתות גרף

גישה נוספת היא לבנות רשת תלת-ממדית (3D) ⁇ גרפן ולהסתנן אותה עם סיליקון.רשת ⁇ מספקת תמיכה מכנית ותחבורה מהירה ion.לדוגמה, פיזור כימי (CVD) של גרפן על תבנית קצף ניקל, ואחריו תחריט של מתכת, מניב קצף גרפין חופשי.

Graphene-Wrapped Silicon ננווטים

ננווטים הסיליקון שגדלו אנכית על תת-קרקעי נחקרו באופן נרחב מכיוון שהם יכולים להכיל הרחבה באופן מקרי.עם זאת, הם סובלים מהתנהגות ירודה לאורך אורך החוט.לקט אותם עם שכבת גרפן קונפורטיבית משפרת את ההתנהלות המאוחרת יותר ומגן על משטח ננו-חוט.הגרף יכול להיות גדל על ידי CVD או מוחל כציפוי תחמוצת גרפית מופחתת כל כך הראו שיפור מחזור וביצועים ויציבות.

Graphene-Silicon Slurry Coating

עבור קנה מידה תעשייתית, השיטה הפשוטה ביותר היא לערבב חלקיקים עם מטבוליזם גרפן (או גרפן ננופליונים) בפתרון נקשר ומעיל על סיאול נחושת.האתגר הוא להשיג פיזור הומוגני ולמנוע גרף מנוחה סיליקון חסר מדי, פיזור מחוספס, ושילוב גבוה של סיליקון משמש כדי להפיץ את גודל הגרף 5 סיליקון שלילי, תוך כדי צמצום רמות סיליקון שלילי מדי, 000 סיליקון שלילי מדי, הוא סיליקון.

מחקרים אחרונים פורצים

המונחים: Silicon-Graphene Composites

בשנת 2022, צוות מאוניברסיטת קליפורניה, לוס אנג'לס, הדגים סיליקון-גרף המורכב עם יכולת דו-צדדית של 8 mAh / 2 - מעל 4 mAh / ס"מ טיפוסי של שרידים גרפיט מסחרי.על ידי שימוש בארכיטקטורה גרף אנכית מיושר והטמעת חלקיקים סיליקון, הם השיגו אופניים יציבים מעל 300 מחזורים בטעינה גבוהה.

Nitrogen-Doped Graphene for Enhanced Storage

שילוב חנקן לתוך הגרפן לקטייה יוצר אתרים פעילים נוספים לאחסון ליתיום, כמו גם שיפור המבנה האלקטרוני.מחקר שפורסם ב-FLT:0) חומרים מתקדמים מ-FLT:1 מצאו כי N-doped גרפן גרף-silicon anodes סיפק שמירה של 85% לאחר 1,000 מחזורים ב- C rate, למעטים של 20% מהאטומים הבודדים של חנקן (Fthpion) ו-Fondowion (Fth) מאפשר שמירה על ידי אלקטרו-Fthfthalated) ו-Fond) ייצוב של 8.

« « היפנוזה עצמית

חוקרים במכון המתקדם של קוריאה למדע וטכנולוגיה (KAIST) פיתחו ציפוי גרפן דינמי שיכול "להישמע" סדקים שנגרמו על ידי סיליקון הרחבה.הציפוי מורכב גליונות תחמוצת גרפן מוצפנים עם מצורף פולימר פולימר רציונאלי רציונאלי , כאשר שרשראות פולימר וגבינות גרפין מחדש את הקשר החשמלי, שחזור יכולת זו של גרף עם יתרונות מכניים של 80% של כוח המשיכה:0 (N) לאחר מחזורי שימור עצמי:01Fland) לאחר מחזורי שימור (N) קיבולת כימיה (N) גרף 1Flan מחדש של 20, 000 000 000 000:0) לאחר מחזורי שימור עצמי: 0, 000 000 000: 0 - 000 000 000 000 000 000) ו-H)

הנדסת מכונות באמצעות Ball Milling

נתיב אחסון יעיל לתרכובות גרפין-סילייקון הוא כדור-מילימטר גרף סיליקון יחד.השיטה באנרגיה גבוהה של exfoliates גרפיט לתוך פיתיקנים גרפן זעיר ובו-זמנית מטביעה חלקיקים סיליקון לתוך שכבות גרפן. שיטה יבשה, מדרגית זו מייצרת מדיום ללא פותרים. a מחקר עדכני של האוניברסיטה הטכנית של מינכן הראה כי בל-מילות נשמרות מעל 1,200 / FGPSD2, לאחר יעילות נמוכה, לאחר LT נמוך יותר מ , לאחר יעילות גבוהה חסכונית (0- 10) עם יעילות גבוהה קומפקטית של 20 גרם ל LTE נמוך יותר מ חסכונית (0GVallowicupallowe) לאחר קומפקטית (0- 200 / 0GVallowic Cost) עם LTeupallowic Cost to a 2, 000 LTeupallowt יעיל, 000 LTe) לאחר , 000 LTeupallowedeupallowed to a Rgy0-upal קומפלקס עם קומפקטית, 000 קומפקטית גבוהה קומפקטית (0 (0 LTe גבוה קומפקטית חומרים LTe) קומפקטית גבוהה קומפקטית

יתרונות השוואתיים על פני תוספות פחמן אחרות

גרפן לעומת פחמן שחור

שחור פחמן הוא זול בשימוש נרחב, אבל הוא יוצר רשת מבודדת ללא הפסקה כי הוא בקלות לשבש על ידי סיליקון הרחבה. Graphene של גיליון כמו מורפולוגיה מספק התנהגות לטווח ארוך עם סף חסימה נמוך יותר - בדרך כלל 1-3 wt% בהשוואה ל 10 עד 15 wt% עבור פחמן שחור.

Graphene vs. Carbon Nanotubes (CNTs)

שני גרפן ו- CNTs מציעים מוליכות גבוהה, אבל הגיאוגרפיות שלהם שונות. CNTs הם חד-ממדית נוטה לארוז יחד, מה שהופך פיזור קשה. Graphene flakes, כאשר הם משוחררים כראוי, יכול ליצור יותר ציפוי הומוגני. חלק מחקרים משלבים הן: שימוש CNTs לגשר בין גליונות גרפין וסיליקון, יצירת רשת תלת-ממדית עם זאת, גרף של גרף, תוכניות כיסוי יותר יעיל יותר מאשר אזורים CNTre יעיל יותר מאשר שינויים רחב יותר מאשר CNT.

Graphene vs. Amorphous Carbon Coating

פחמן אמורפי (למשל, פחמן פיירוליטי) מופקד לעתים קרובות על סיליקון כציפוי קונפורמנטלי. בעוד הוא משפר את ההתנהלות ומפחית מגע אלקטרוליטי, הוא חסר את הכוח המכאני והגמישות של גרפן קריסטל. Amorphous פחמן הוא מתפתל ויכול לפצח תחת הלחץ של התרחבות סיליקון.

שמירה על אתגרים וכיוונים מחקר פעילים

עלויות הייצור של Graphene ואיכות

גרפן באיכות גבוהה (Single-layer, ללא פגם) נשאר יקר לייצר בכמויות גדולות.עבור סוללות מסחריות, עלות לקילוגרם היא גורם קריטי.חוקרים חוקרים חוקרים חוקרים בודקים חומרים "כמו graphene-like" כגון תחמוצת גרפן מופחת (rGO) המיוצר על ידי הפחתה כימית או תרמית של תחמוצת גרפן, אשר הוא זול יותר המכיל פגמים וקבוצות חמצן חי.

דיספרסציה יעילה ומניעה מרגיעה

גליונות Graphene נוטים לנוח עקב אינטראקציות חזק ⁇ , להפחית את השטח האפקטיבי שלהם ולהפחית את יכולת השחיקה שלהם.מניעה מנוחה תוך שמירה על התנהגות דורשת עיבוד זהיר: באמצעות חומרים חלליים ( חלקיקים מסוכנים עצמם לשמש כחליפים), שילוב פולימרים, או יצירת מרופמטמים קמטמים או מרופפים גרפיולוגיות.

ביקורת: Graphene-Silicon Interface

האופי של הקשר הכימי בין גרפן וסיליקון משפיע הן על העברת אלקטרון והן הפיכה מכנית. אינטראקציות Weak van der Waals עשוי לאפשר שכבת גרפן להחליק יחסית לסיליקון, אשר יכול להיות מועיל להתרחבות מצטברת; אבל אם הממשק חלש מדי, העברה מטען הופכת לא יעילה. covalenting (למשל, באמצעות גשרים חמצן ב rGO) משפר את ההפיכה אלקטרונית אבל עשוי להפחית את הגמישות האידיאלית של עיצוב נשאר דיון.

זמן ארוך טווח החיים ובדיקה מלאה

רוב המחקרים של גרפן-סילייקון נערכים בחצי תאים (lithium מתכת נגד אלקטרודה) בדיקות תאים מלאים נגד קטודות מסחריות (NMC, LFP) נפוצים פחות אך חיוני להערכה מעשית.בתאים מלאים, שלב טרום-הההההתשלכה המוגבלת נגד אספקת הליתיום המוגבלת מקטודה החריפה את יכולת האובדן מ- SEI.

נתיבי סינתזה Scalable Synthesis

בעוד שתרכובות מעבדה מראות ביצועים מרשימים, בתרגום אלה לייצור בקנה מידה פיילוט תוך שמירה על אחידות ועלות מטרות אינה טריוויאלית. גישות כגון ריסוס יבשה, אלקטרוס מתפללים, ו- CVD מעוקלים נחקרים.התעשייה אופטימית זהירה כי התפרצויות גרפן-סלאיקון ניתן לייצר בעלות דומות לתערובת הנוכחית של גרפנטזי בתוך חמש השנים הבאות.

שחקנים בתעשייה ו-Outlook

סטטוס נוכחי

כמה חברות החלו לשיווק חומרי סוללה גרף-enhanced. לדוגמה, Sila Nanotechnologies משתמשת anode סיליקון-dominant (ללא גרפן מפורש) אבל מתמקדת ציפוי פחמן nanostructured.בינתיים, חברות כמו XG edges (עכשיו נונופלסטיק), Graphenea, ו Vorbeck חומרים מספקים חומרים גרפיניים במיוחד עבור יישומים של סוללות של 2020 לא יכול היה להשתמש סיליקון-ידית (עכשיו) אבל לא יכול היה להשתמש סיליקון משולב סיליקון (עכשיו סיליקון) אבל חומרים מורכבים גרף סיליקון) אבל חומרים מורכבים של גרפים-פחמילא יכול היה להשתמש סיליקון (D2 סיליקון) אבל חומרים מורכבים של סיליקון סיליקון) אבל חומרים סיליקון עם סיליקון עם סיליקון כולל גרף המכילהכולל סיליקון) אבל חומרים מורכבים של גרפים גרפים סיליקון) אבל חומרים סיליקון עם סיליקון עם סיליקון (התחל עם סיליקון) אבל חומרים מורכבים של סיליקון עם סיליקון עם גרף המכילהכולל סיליקון (D2 סיליקון) אבל חומרים Vorbeck הם לספק חומרים סיליקון) אבל חומרים סיליקון) אבל חומרים הם לספק חומרים סיליקון סיליקון סיליקון סיליקון סיליקון סיליקון סיליקון סיליקון עם תכונות

פרויקט שוק

שוק הסוללה של גרפן העולמי מוערך בכ-200 מיליון דולר ב-2023 והוא צפוי לגדול ב CAGR של 25% עד 2030, המונע בעיקר על ידי הביקוש לרכבים חשמליים ואלקטרוניקה לצרכנים.סיליקון-אינטי עם גרפן יכול ללכוד נתח משמעותי אם מחזור חיים ומטרות עלות הם נפגשו.

אינטגרציה עם סוללות סולידריות-מדינה

הזדמנות לטווח ארוך היא השילוב של זעזועים גרפיניים עם אלקטרוליטים מוצקים של מדינת גראפן.ההתנהגות הגבוהה של Graphene יכולה לעזור להתגבר על מוליכות אקולוגית ירודה של אלקטרוליטים מוצקים, בעוד תאימות מכנית שלה יכולה להתאים את השינויים בנפח של סיליקון בתא מוצק-מדינה. מחקר מוקדם על אלקטרוליטים מבוססי sulf-בסיס מוצק עם גרפן אלקטרולייקון, מראה את היכולות הראשוניות, אם כי הוא עדיין אתגר ראשוני נשאר.

מסקנה

השילוב הייחודי של Graphene של גמישות מכנית, מוליכות חשמלית גבוהה, ואזור משטח גדול מציג פתרון משכנע לבעיות האלקטרוניקה ארוכות טווח של התרחבות נפח ו מוליכות גרועה סוללות ליתיום-סילייקון. באמצעות encapsulation, רשתות ⁇ , ציפוי ננווט, ומיזוגי סלורי, גרפן-סלאקיסטונים השיגו יכולות ספציפיות מעל 2,000 / g עם מחזורי ייצור עצמיים גבוהים יותר, אך הם עלולים מתקדמים, אך ורקדות, כמו גם סוללות ספורטיביות יעילות של ציוד אחסון, אך ורקמות, הן יכולות גבוהות יותר, אך יכולות גבוהות יותר, הן יכולות גבוהות יותר, אך ורקמות, הן יכולות גבוהות יותר, הן יכולות אחסון עצמיות, הן יכולות גבוהות יותר, הן יכולות גבוהות יותר, הן יכולות גבוהות יותר, אך הן יכולות גבוהות יותר, אך הן יכולות גבוהות יותר, הן יכולות גבוהות יותר, אך יכולות גבוהות יותר, אך יכולות אחסון יעילות של סוללות ספורטיביות, אך יכולות גבוהות יותר, אך הן יכולות גבוהות יותר, אך יכולות גבוהות יותר, אך הן יכולות גבוהות יותר, אך יכולות גבוהות יותר, אך יכולות גבוהות יותר, אך הן יכולות גבוהות יותר, הן יכולות גבוהות יותר, אך הן יכולות גבוהות יותר, הן יכולות גבוהות יותר, הן יכולות גבוהות יותר, הן יכולות אחסון עצמיות, אך יכולות