У розробці літієвих батарей-енергетичної-високої щільності аноди на основі кремнію-, теоретична питома ємність яких набагато перевищує графіт, стали ключовим напрямком для батарей живлення та акумуляторів для накопичення енергії. Чому електропровідні пасти з вуглецевих нанотрубок є кращими для кремнієвих-анодів, це практична тема, яку часто обговорюють інженери з дослідження та розробки батарей. Кремнієві матеріали мають погану власну провідність і піддаються величезному об’ємному розширенню під час заряджання та розряджання. Звичайній електропровідній сажі важко підтримувати провідну мережу електродів протягом тривалого часу. Багато компаній під час малих-масштабних і пілотних випробувань кремнієвих-вугільних анодів стикаються зі швидким циклом деградації та безперервним зростанням внутрішнього опору. Часто першопричина криється у виборі електропровідної добавки. Провідна паста з вуглецевих нанотрубок із одновимірною трубчастою структурою та чудовою механічною міцністю стала основним електропровідним рішенням для індустріалізації анодів на основі кремнію. Однак також необхідно узгодити модель на основі вмісту кремнію та системи суспензії.
1. Основна проблема кремнієвих-анодів: розширення об’єму спричиняє руйнування та поломку провідної мережі
Найбільшою технічною проблемою кремнієвих-анодів є значне розширення та звуження під час циклічного заряду-розряду. Традиційні точкові -контактні провідні добавки дуже схильні до втрати контакту, спричиняючи різке підвищення внутрішнього опору клітини та швидку деградацію циклу. Це висуває високі вимоги до механічної буферної здатності електропровідної добавки.
Під час літіювання кремнієві-матеріали можуть збільшитися в об’ємі на 200-300%, а потім стиснутися під час делітації. Після повторного циклу частинки кремнію схильні до розпилювання. Звичайні електропровідні добавки сажі покладаються на точкові контакти між частинками для створення шляхів. Після розширення та зміщення частинок кремнію частинки сажі зсуваються та від’єднуються, безпосередньо розриваючи провідні зв’язки, спричиняючи постійне збільшення внутрішнього опору електрода та швидке зниження ємності. При цьому сам кремній має слабку провідність. Якщо провідна добавка не може сформувати безперервну мережу по всьому електродному листу, це також спричинить похідні проблеми, такі як низька швидкість і низька ефективність першого циклу.
Аноди на основі-кремнію на ринку поділяються на системи з високим-кремнієм і композитні кремнієві-вуглецеві системи SiO. Чим вищий вміст кремнію, тим більш виражений руйнівний ефект розширення, і тим вищі комплексні вимоги до провідної пасти.
Під час взаємодії з багатьма клієнтами кремнієвих-вугільних анодів компанія Shandong Tanfeng виявила, що багато дослідницьких груп безпосередньо копіюють формули електропровідних добавок графітових анодів, наносячи звичайну сажу безпосередньо на кремнієві-аноди. Хоча продуктивність може бути прийнятною в лабораторних масштабах, після сотень циклів продуктивність різко падає. Це тому, що пошкодження провідної мережі, викликане розширенням, було пропущено.
2. Чотири основні переваги провідної пасти з вуглецевих нанотрубок для анодів на основі-кремнію
Порівняно з технічним вуглецем, провідна паста з вуглецевих нанотрубок, спираючись на свою одно-вимірну довгу трубчасту структуру, створює гнучку три-вимірну провідну мережу, яка може протистояти багаторазовому розширенню та звуженню частинок кремнію, досягаючи високої провідності за низьких кількостей додавання, адаптуючись до особливих умов роботи кремнієвих-анодів.
1. Гнучка довго{1}}провідна мережа, зберігаючи безперервні шляхи під час розширення та звуження
Вуглецеві нанотрубки мають співвідношення сторін 500-1000 або більше, перекриваючись всередині електрода, утворюючи провідну мережу, подібну до «пружного риштування». Коли частинки кремнію розширюються та стискаються, вуглецеві трубки можуть деформуватися, як пружини, без прямого розриву контакту, постійно зберігаючи канали транспорту електронів. Навпаки, точкові контакти сажі дуже схильні до втрати контакту після зміщення частинок.
2. Низька кількість додавання, що звільняє більше місця для активного матеріалу, покращує щільність енергії
Місце в анодній-системі на основі кремнію дуже цінне. Висока частка електропровідної добавки витіснить частку кремній-вуглецевого активного матеріалу. Ефективна кількість провідної пасти MWCNT у кремнієвих -вуглецевих анодах зазвичай становить лише 0,3-1,0%, що забезпечує ідеальний провідний ефект. Традиційна сажа часто вимагає додавання 2-4%, займаючи пропорцію активного матеріалу та обмежуючи підвищення щільності енергії клітини.
3. Відмінні механічні властивості, буферна напруга розширення частинок кремнію
Вуглецеві нанотрубки мають високий модуль пружності та гарну в’язкість, здатні буферизувати внутрішню напругу, спричинену розширенням частинок кремнію, зменшуючи розтріскування листів електродів і осипання порошку, знижуючи ризик відмови від розпилення активного матеріалу, опосередковано покращуючи стабільність плівки SEI та зменшуючи утворення газу в результаті постійних побічних реакцій електроліту.
4. Сумісний як із системами кремнієвої суспензії на-нафтовій основі, так і з водною-суспензією
Наразі кремнієві-аноди в основному використовують водні-суспензії в поєднанні зі зв’язуючими CMC-SBR, які висувають суворі вимоги до сумісності електропровідної пасти-диспергатора. Кваліфікована CNT провідна паста може досягти гарної сумісності в системах на водній-основі без руйнування сполучної системи, зі стабільною реологією суспензії та меншою схильністю до дефектів смуг і точкових дірок під час нанесення покриття.
| Елемент порівняння | Провідна паста CNT (MWCNT) | Звичайна провідна сажа SP | Умови тестування |
|---|---|---|---|
| Розумна ефективна кількість додавання для кремнієвого -вугільного анода | 0,3-1,0 мас.% | 2-4 мас.% | Анодна система на основі кремнію-SiO/C |
| Адаптація до розширення частинок кремнію | Чудово, мережа може деформуватися та буферизуватися | Погані, точкові контакти легко ламаються | Тест циклу 1С |
| 100-циклове збереження ємності | 88-92% | 65-72% | Вміст кремнію 15% кремнієвої-вуглецевої половини-елементи |
| Зміна внутрішнього опору електрода (після циклу) | Невелике збільшення внутрішнього опору | Значне збільшення внутрішнього опору | Вимірювання імпедансу EIS |
| Вплив на щільність енергії | Низька заповнюваність, покращення щільності | Велика заповнюваність, обмежена щільність енергії | Така ж система рецептури |
Резюме:Переваги провідної пасти CNT засновані на передумові ретельного диспергування. Якщо ВНТ у пасті сильно агломеровані, жодна з вищезазначених переваг не може бути реалізована.
Компанія Shandong Tanfeng спеціально розробила кремнієву-серію спеціальну провідну пасту з CNT для умов-аноду на основі кремнію, запускаючи моделі на основі NMP-на основі масла-і води-. Співвідношення диспергатора та CNT було оптимізовано для адаптації до сполучної системи на основі CMC-SBR-води, ефективно перешкоджаючи згущенню суспензії та гелеутворенню в кремнієвих анодах. Багато замовників досліджень і розробок і масового виробництва кремнієвих-вугільних анодів безпосередньо використовують їх для невеликих-масштабних і пілотних випробувань, скорочуючи цикл налагодження рецептури.
3. Які практичні недоліки використання CNT провідної пасти для анодів на основі-кремнію?
Електропровідна паста CNT не є універсальним рішенням. Неправильний вибір може призвести до високої в'язкості суспензії та труднощів диспергування. Для систем із високим -кремнієм узгодження параметрів CNT має бути виконано належним чином; Параметри графітової анодної пасти неможливо скопіювати безпосередньо.
Високі вимоги до процесу диспергування:Якщо провідну пасту CNT неправильно дисперговано та містить велику кількість агломератів, вони утворять провідні острівці в аноді на основі- кремнію, не тільки не допомагаючи, але й спричиняючи чорні плями та ризики мікро-короткого замикання на пластині електрода.
Складний контроль в'язкості:Вуглецеві нанотрубки мають високу питому поверхню, і при тій же кількості додавання вони легше збільшують в’язкість анодної суспензії. Аноди на основі-кремнію самі по собі мають складну морфологію частинок, що потребує скоординованого контролю вмісту твердої речовини та в’язкості під час налагодження складу.
Системи з високим -кремнієм і чистим кремнієм все ще мають обмеження, пов’язані лише з УНТ:Для систем із високим -кремнієм із вмістом кремнію понад 30 % покладатися лише на провідну пасту з CNT недостатньо, щоб повністю компенсувати значне розширення. Промисловість зазвичай використовує гібридний провідний розчин УНТ + сажі для досягнення додаткових переваг.
| Операційний сценарій | Рекомендований провідний розчин | Ключові моменти |
|---|---|---|
| SiO/C Low-середній кремнієвий анод (5-20% Si) | В основному CNT провідна паста з невеликою кількістю сажі в поєднанні | Надавайте перевагу моделям із-анодом-з кремнієвою пастою |
| High-Silicon System (Si >25%) | УНТ + гібрид сажі / графену | Не рекомендується використовувати CNT окремо |
| Лабораторія малого-дослідження та розробки | Віддайте перевагу електропровідній пасті-CNT на водній основі | Суворо контролюйте послідовність годування, забезпечте попереднє-змішування |
4. Практичні моменти вибору для використання CNT провідної пасти в анодах на основі-кремнію
Купуючи електропровідну пасту CNT, не дивіться лише на твердий вміст. Він повинен поєднуватися з вмістом кремнію, системою розчинника суспензії та типом сполучного, зосереджуючись на довжині ВНТ, стані дисперсії та показниках домішок.
Розрізняють системи розчинників:Не використовуйте безпосередньо NMP-пасту на масляній-основі для-кремнієвих анодів на водній основі; невідповідність розчинників безпосередньо знищить систему суспензії, спричинивши флокуляцію та нашарування.
Високий вміст кремнію:Не шукайте сліпо надто довгих CNT. Надмірно довгі трубки можуть легко призвести до заплутування та згущення рідини. Вибирайте моделі CNT середньої-довжини, які підходять для кремнієвих анодів.
Зверніть увагу на показники металевих домішок:Аноди на основі-кремнію чутливі до металевих домішок. Надмірна кількість домішок може легко спричинити само-розряд елемента.
Надайте пріоритет дрібномасштабній-перевірці:Спочатку проведіть випробування зразків невеликих{0}}серій, перевіряючи сумісність пасти, зовнішній вигляд покриття електродної пластини, продуктивність циклу та дані про внутрішній опір, а потім розгорніть масове виробництво.
Як виробник CNT провідної пасти, Shandong Tanfeng може забезпечити підтримку невеликих зразків для проектів анодів на основі кремнію. Базуючись на вмісті кремнію та системі на основі води/олії-замовника, він надає цільові пропозиції щодо вибору та виводить довідкові відомості про процеси подачі та змішування, допомагаючи клієнтам уникнути обхідних шляхів налагодження рецептури.
5. Повне резюме статті
Основна причина, чому аноди на основі кремнію-віддають перевагу електропровідній пасті з CNT, полягає в тому, що гнучка одно{1}}мерна мережа вирішує проблему розриву провідних зв’язків, спричинених розширенням частинок кремнію, досягаючи низьких доданих кількостей, збалансовуючи провідність і щільність енергії. Однак відповідна модель системи повинна відповідати; для сценаріїв із високим вмістом-кремнію рекомендується суміш з іншими електропровідними добавками, а розчин графітової анодної пасти не слід безпосередньо копіювати.
Несправність анодів на основі-кремнію часто пов’язана не лише з кремнієвим матеріалом. Вирішальним є те, чи здатна провідна добавка витримувати зміни об’єму під час циклу. Традиційні електропровідні добавки до сажі, обмежені їх точковим-контактним механізмом у кремнієвих-вуглецевих системах, намагаються досягти тривалого терміну служби. CNT провідна паста завдяки своїй унікальній одно-вимірній мережевій структурі стала основним вибором для індустріалізації кремнієвих-вуглецевих анодів. Під час відбору не дивіться лише на солідні показники вмісту; всебічно оцінити здатність до диспергування, в'язкість, домішки та системну сумісність.
Shandong Tanfeng має багато-специфікаційні CNT провідні пасти, які підходять для кремнієвих-анодів і можуть підтримувати індивідуальну розробку. Він також забезпечує технічну координацію процесу суспензії, пропонуючи повні допоміжні послуги для науково-дослідних установ і виробників акумуляторів.
FAQ
Запитання: чи можуть кремнієві-аноди використовувати лише CNT провідну пасту без сажі?
В: Системи SiO/C з низьким-середнім вмістом кремнію можуть спробувати це, але більшість промислових складів містять невелику кількість сажі в комбінації. Сажа заповнює проміжки між частинками, синергетично оптимізуючи провідну мережу та знижуючи загальну вартість рецептури.
З: Чи можна використовувати пасту CNT для звичайних графітових анодів безпосередньо для кремнієвих анодів на водній основі?{0}}
A: Пряме використання не рекомендується. Композиція диспергатора для графітової анодної пасти може бути несумісною з системою CMC-SBR, що легко спричиняє згущення суспензії та утворення осаду. Віддавайте перевагу електропровідній пасті на водній-основі CNT, спеціально розробленій для кремнієвих анодів.
З: Яка типова кількість CNT провідної пасти для кремнієвих-вугільних анодів?
A: Для SiO/C кремнієвих -вуглецевих анодів ефективна кількість CNT зазвичай контролюється в діапазоні 0,3-1,0%. Чим вищий вміст кремнію, оптимальне вікно додавання потрібно відкалібрувати за допомогою експериментів.