Pri vývoji-energetických-lítiových batérií s vysokou hustotou sa kľúčovým smerom pre napájacie batérie a batérie na ukladanie energie stali kremíkové-anódy, ktorých teoretická špecifická kapacita ďaleko prevyšuje grafitovú kapacitu. Prečo sú vodivé pasty z uhlíkových nanorúrok preferované pre anódy na báze kremíka-je praktická téma, o ktorej často diskutujú inžinieri výskumu a vývoja batérií. Kremíkové materiály majú zlú vnútornú vodivosť a počas nabíjania a vybíjania podliehajú ohromnej objemovej expanzii. Bežné vodivé sadze sa snažia udržať elektródovú vodivú sieť z dlhodobého hľadiska. Mnoho spoločností počas malých-pokusov a pilotných testov kremíkových-uhlíkových anód zaznamená rýchlu degradáciu cyklu a neustále sa zvyšuje vnútorný odpor. Hlavná príčina často spočíva vo výbere vodivej prísady. Vodivá pasta z uhlíkových nanorúrok sa so svojou jednorozmernou trubicovou štruktúrou a vynikajúcou mechanickou pevnosťou stala hlavným prúdovým vodivým riešením pre industrializáciu anód na báze kremíka{13}. Je však tiež potrebné zosúladiť model na základe obsahu kremíka a kalového systému.
1. Core Pain Point of Silicon-Anódy: Expanzia objemu spôsobuje prasknutie a zlyhanie vodivej siete
Najväčšou technickou výzvou anód na báze kremíka-je výrazné zväčšovanie a zmršťovanie objemu počas cyklu nabíjania-vybíjania. Tradičné vodivé prísady s bodovým{3}}kontaktom sú veľmi náchylné na stratu kontaktu, čo spôsobuje prudký nárast vnútorného odporu bunky a rýchlu degradáciu cyklu. To kladie vysoké nároky na mechanickú tlmiacu schopnosť vodivého aditíva.
Počas litiácie môžu materiály na báze kremíka-zaznamenať zväčšenie objemu o 200-300 %, po ktorom nasleduje kontrakcia pri delení. Po opakovanom cyklovaní sú častice kremíka náchylné na pulverizáciu. Bežné sadzové vodivé prísady sa spoliehajú na bodové kontakty medzi časticami pri budovaní dráh. Po expanzii a premiestnení kremíkových častíc sa častice sadzí posunú a oddelia, čím sa priamo prerušia vodivé spojenia, čo spôsobí neustále zvyšovanie vnútorného odporu elektródy a rýchlu degradáciu kapacity. Samotný kremík má zároveň slabú vodivosť. Ak vodivá prísada nemôže vytvoriť súvislú sieť v celom elektródovom pláte, spôsobí to tiež odvodené problémy, ako je nízka rýchlosť a nízka účinnosť prvého cyklu.
Anódy na báze kremíka-na trhu sa delia na systémy s vysokým-kremíkom a SiO kompozitné kremíkové-uhlíkové systémy. Čím vyšší je obsah kremíka, tým výraznejší je deštruktívny účinok expanzie a tým vyššie sú komplexné požiadavky na výkon vodivej pasty.
Počas interakcií s mnohými zákazníkmi s kremíkovými-uhlíkovými anódami Shandong Tanfeng zistil, že mnohé výskumné a vývojové tímy priamo kopírujú vodivé aditívne formulácie grafitových anód a nanášajú obyčajné sadze priamo na kremíkové -anódy. Zatiaľ čo výkon môže byť prijateľný v laboratórnom meradle, po stovkách cyklov výkon prudko klesá. Je to preto, že sa prehliadlo poškodenie vodivej siete spôsobené expanziou.
2. Štyri hlavné výhody vodivej pasty z uhlíkových nanorúrok pre anódy na báze kremíka-
V porovnaní so sadzí vodivá pasta z uhlíkových nanorúrok, ktorá sa opiera o svoju jednorozmernú dlhotrvajúcu rúrkovitú štruktúru, vytvára flexibilnú trojrozmernú{1}} vodivú sieť, ktorá dokáže odolávať opakovanej expanzii a kontrakcii kremíkových častíc, pričom dosahuje vysokú vodivosť pri nízkych množstvách pridania a prispôsobuje sa špeciálnym prevádzkovým podmienkam anód na báze kremíka-.
1. Flexibilná vodivá sieť s dlhým{1}}dosahom, udržiavanie neprerušených ciest počas expanzie a kontrakcie
Uhlíkové nanorúrky majú pomer strán 500-1000 alebo viac, pričom sa prekrývajú v elektróde a vytvárajú vodivú sieť podobnú „elastickej lešeniu“. Keď sa častice kremíka rozťahujú a zmršťujú, uhlíkové trubice sa môžu deformovať ako pružiny bez priameho prerušenia kontaktu, čím sa nepretržite udržiavajú kanály na prenos elektrónov. Naproti tomu bodové kontakty sadzí sú veľmi náchylné na stratu kontaktu po premiestnení častíc.
2. Nízke množstvo prídavku, uvoľnenie väčšieho priestoru pre aktívny materiál, zlepšenie hustoty energie
Priestor v anódovom systéme-na báze kremíka je veľmi cenný. Vysoký podiel vodivého aditíva vytlačí podiel aktívneho materiálu kremíka-uhlík. Efektívne pridané množstvo vodivej pasty MWCNT v kremíkových-uhlíkových anódach je vo všeobecnosti iba 0,3 – 1,0 %, čím sa dosahujú ideálne vodivé účinky. Tradičné sadze často vyžadujú pridanie 2-4%, pričom zaberajú podiel aktívneho materiálu a obmedzujú zlepšenie hustoty energie buniek.
3. Vynikajúce mechanické vlastnosti, vyrovnávanie napätia pri expanzii kremíkových častíc
Uhlíkové nanorúrky majú vysoký modul pružnosti a dobrú húževnatosť, ktoré sú schopné tlmiť vnútorné napätie spôsobené expanziou kremíkových častíc, zmierňujú praskanie elektródového listu a uvoľňovanie prášku, znižujú riziko zlyhania pri rozdrvení aktívneho materiálu, nepriamo zlepšujú stabilitu filmu SEI a znižujú tvorbu plynu z kontinuálnych vedľajších reakcií elektrolytu.
4. Kompatibilné so silikónovými kalovými systémami na báze-NMP a vody-
V súčasnosti používajú anódy na -kremíkovej báze hlavne vodné-suspenzné procesy spojené s CMC-SBR spojivami, ktoré kladú prísne požiadavky na kompatibilitu disperzantu vodivej pasty. Kvalifikovaná vodivá pasta CNT môže dosiahnuť dobrú kompatibilitu v systémoch na báze vody- bez zničenia spojivového systému, so stabilnou reológiou kaše a menej náchylná na pruhy a dierky počas nanášania.
| Porovnávacia položka | CNT vodivá pasta (MWCNT) | Obyčajná vodivá uhlíková čerň SP | Podmienky testu |
|---|---|---|---|
| Rozumné a efektívne pridané množstvo pre kremíkovú-uhlíkovú anódu | 0,3-1,0 % hmotn. | 2-4 % hmotn. | Anódový systém{0}}na báze SiO/C |
| Adaptabilita na expanziu kremíkových častíc | Výborne, sieť sa môže deformovať a vyrovnávať | Nekvalitné bodové kontakty sa ľahko zlomia | Test cyklu 1C |
| Zachovanie kapacity 100 cyklov | 88-92% | 65-72% | Obsah kremíka 15 % kremíkovej-uhlíkovej polovice-článku |
| Zmena vnútorného odporu elektródy (po cyklovaní) | Malé zvýšenie vnútorného odporu | Veľké zvýšenie vnútorného odporu | Meranie impedancie EIS |
| Vplyv na energetickú hustotu | Nízka obsadenosť, zlepšenie hustoty | Vysoká obsadenosť, obmedzuje hustotu energie | Rovnaký systém formulácií |
Zhrnutie:Výhody vodivej pasty CNT sú postavené na predpoklade dôkladného rozptýlenia. Ak sú CNT v paste silne aglomerované, nie je možné realizovať žiadnu z vyššie uvedených výhod.
Spoločnosť Shandong Tanfeng špeciálne vyvinula kremíkovú-vodivú pastu radu CNT pre stavy anód na báze kremíka-, pričom uviedla na trh modely na báze NMP-na báze oleja-a vody-na báze NMP. Dispergačné činidlo a pomer strán CNT boli optimalizované tak, aby sa prispôsobili spojivovému systému na báze vody CMC-SBR{7}}, čím účinne inhibujú zahusťovanie kalu a gélovatenie v silikónových anódach. Mnoho zákazníkov výskumu a vývoja a sériovej výroby kremíkových-uhlíkových anód ich priamo používa na malé{10}}skúšky a pilotné skúšky, čím sa skracuje cyklus ladenia zloženia.
3. Aké sú praktické nedostatky používania vodivej pasty CNT pre anódy na báze kremíka-?
CNT vodivá pasta nie je univerzálnym riešením. Nesprávny výber môže viesť k vysokej viskozite suspenzie a ťažkostiam s disperziou. Pre systémy s vysokým-kremíkom sa musí zhoda parametrov CNT vykonávať správne; parametre grafitovej anódovej pasty nie je možné priamo skopírovať.
Vysoké nároky na disperzný proces:Ak samotná vodivá pasta CNT nie je správne rozptýlená a obsahuje veľké množstvo aglomerátov, vytvoria vodivé ostrovčeky v anóde na báze kremíka{0}}, čo nielenže nepomôže, ale spôsobí aj čierne škvrny a riziko mikro-skratu na elektródovom pláte.
Zložitá kontrola viskozity:Uhlíkové nanorúrky majú vysoký špecifický povrch a pri rovnakom množstve pridania ľahšie zvyšujú viskozitu anódovej kaše. Samotné anódy na báze kremíka- majú zložitú morfológiu častíc, ktorá si vyžaduje koordinovanú kontrolu obsahu pevných látok a viskozity počas ladenia receptúry.
Systémy s vysokým-kremíkom a čistým kremíkom majú stále obmedzenia so samotnými CNT:Pre systémy s vysokým{0}}kremíkom s obsahom kremíka presahujúcim 30 % nestačí spoliehať sa výlučne na vodivú pastu CNT na úplné vyrovnanie masívneho rozšírenia. Priemysel bežne používa hybridný vodivý roztok CNT + sadze na dosiahnutie doplnkových výhod.
| Prevádzkový scenár | Odporúčané vodivé riešenie | Kľúčové body |
|---|---|---|
| SiO/C Nízka{0}}stredná silikónová anóda (5 – 20 % Si) | Primárne CNT vodivá pasta s malým množstvom sadzí v kombinácii | Uprednostnite modely s kremíkovou -anódou{1}} |
| High-Silicon System (Si >25%) | CNT + hybrid uhlíková čerň / grafén | Neodporúča sa používať samotné CNT |
| Laboratórny malý-výskum a vývoj | Uprednostňujte vodivú pastu CNT-na vodnej báze | Prísne kontrolujte postupnosť podávania, zaistite pred{0}}miešanie |
4. Praktické body výberu pre použitie vodivej pasty CNT v anódach na báze kremíka-
Pri nákupe vodivej pasty CNT nehľadajte len na pevný obsah. Musí byť kombinovaný s obsahom kremíka, systémom rozpúšťadiel v suspenzii a typom spojiva so zameraním na dĺžku CNT, stav disperzie a indikátory nečistôt.
Rozlišujte systém rozpúšťadiel:Na silikónové anódy na báze vody-nepoužívajte priamo pastu na -olejovom{1}}základe NMP; nesúlad rozpúšťadiel priamo zničí kalový systém, čo spôsobí flokuláciu a vrstvenie.
Vyšší obsah kremíka:Nenasledujte slepo príliš dlhé CNT. Príliš dlhé rúrky môžu ľahko spôsobiť zamotanie a zahustenie kalu. Vyberte si modely CNT strednej-dĺžky vhodné pre silikónové anódy.
Venujte pozornosť indikátorom kovových nečistôt:Anódy na báze kremíka- sú citlivé na kovové nečistoty. Nadmerné nečistoty môžu ľahko spôsobiť-samovoľné vybíjanie článku.
Uprednostnite verifikáciu v malom{0}}meradle:Najprv vykonajte testovanie malých{0}}sérií vzoriek, preskúmajte kompatibilitu pasty, vzhľad povlaku elektródy, výkon cyklu a údaje o vnútornom odpore a potom ich zvýšte na hromadnú výrobu.
Ako výrobca vodivej pasty CNT môže spoločnosť Shandong Tanfeng poskytnúť malú vzorovú podporu pre projekty anód na báze kremíka-. Na základe zákazníckeho obsahu kremíka a systému založeného na vode/olej- poskytuje cielené návrhy na výber a výstupné procesné referencie pre kŕmenie a miešanie, čím pomáha zákazníkom vyhnúť sa obchádzkam pri ladení receptúr.
5. Celý článok Zhrnutie
Hlavným dôvodom, prečo anódy na báze kremíka-uprednostňujú vodivú pastu CNT, je to, že flexibilná jednorozmerná sieť- rieši problém prerušenia vodivého spojenia spôsobeného expanziou kremíkových častíc, čím sa dosahuje nízke množstvo prídavku a zároveň sa vyrovnáva vodivosť a hustota energie. Zodpovedajúci model systému sa však musí zhodovať; pre scenáre s vysokým-kremíkom sa odporúča miešať s inými vodivými prísadami a roztok grafitovej anódovej pasty by sa nemal priamo kopírovať.
Zlyhanie anód na báze kremíka- často nie je úplne spôsobené samotným kremíkovým materiálom. Rozhodujúce je, či vodivá prísada vydrží objemové zmeny počas bicyklovania. Tradičné vodivé prísady do sadzí, obmedzené ich bodovým-mechanizmom kontaktu v kremíkových-uhlíkových systémoch, sa snažia dosiahnuť dlhú životnosť. Vodivá pasta CNT sa vďaka svojej jedinečnej-jednorozmernej štruktúre siete stala hlavnou voľbou pre industrializáciu kremíkových-uhlíkových anód. Pri výbere sa nedívajte len na pevné ukazovatele obsahu; komplexne vyhodnotí disperzibilitu, viskozitu, nečistoty a kompatibilitu systému.
Shandong Tanfeng má produkty vodivej pasty CNT s viacerými{0}}špecifikáciami vhodné pre anódy na báze kremíka-a môže podporovať prispôsobený vývoj. Poskytuje tiež technickú koordináciu procesov kalu a ponúka kompletné podporné služby pre výskumné a vývojové inštitúcie a výrobcov batérií.
FAQ
Otázka: Môžu anódy-na báze kremíka používať iba vodivú pastu CNT bez sadzí?
Odpoveď: Nízko{0}}stredné kremíkové SiO/C systémy sa o to môžu pokúsiť, ale väčšina priemyselných prípravkov obsahuje v kombinácii malé množstvo sadzí. Sadze vypĺňajú medzery medzi časticami, synergicky optimalizujú vodivú sieť a znižujú celkové náklady na zloženie.
Otázka: Môže sa pasta CNT používaná pre bežné grafitové anódy priamo použiť pre silikónové anódy na báze vody-?
Odpoveď: Priame použitie sa neodporúča. Dispergačné zloženie pre grafitovú anódovú pastu nemusí byť kompatibilné so systémom CMC-SBR, čo môže ľahko spôsobiť zahusťovanie kalu a sedimentáciu. Uprednostňujte vodivú pastu CNT na-vodnej báze špeciálne navrhnutú pre kremíkové anódy.
Otázka: Aké je typické pridané množstvo vodivej pasty CNT pre kremíkové-uhlíkové anódy?
Odpoveď: Pre SiO/C kremíkové -uhlíkové anódy je účinné množstvo pridaného CNT vo všeobecnosti regulované v rozsahu 0,3 – 1,0 %. Čím vyšší je obsah kremíka, optimálne okno pridávania je potrebné prekalibrovať pomocou experimentov.