מדוע עדיפות משחות מוליכות של ננו-צינוריות פחמן עבור אנודות המבוססות על-סיליקון?

בפיתוח של סוללות ליתיום בצפיפות--באנרגיה גבוהה, אנודות מבוססות סיליקון, שהקיבולת הספציפית התיאורטית שלהן עולה בהרבה על זו של גרפיט, הפכו לכיוון מפתח עבור סוללות מתח וסוללות אחסון אנרגיה. מדוע משחות מוליכות ננו-צינוריות פחמן עדיפות לאנודות מבוססות סיליקון- הוא נושא מעשי הנדון לעתים קרובות על ידי מהנדסי מו"פ של סוללות. לחומרי סיליקון יש מוליכות פנימית ירודה והם עוברים הרחבת נפח אדירה במהלך טעינה ופריקה. פחמן שחור מוליך רגיל נאבק לשמור על רשת המוליכות האלקטרודות לאורך זמן. חברות רבות, במהלך ניסויים בקנה מידה קטן ופיילוט של אנודות פחמן-סיליקון, חוות השפלה מהירה של מחזוריות והתנגדות פנימית גדלה באופן מתמשך. לעתים קרובות, הסיבה העיקרית טמונה בבחירת התוסף המוליך. משחה מוליכה ננו-שפופרת פחמן, עם המבנה הצינורי החד-ממדי והקשיחות המכנית המצוינת שלה, הפכה לפתרון המוליך המיינסטרים לתיעוש של אנודות מבוססות סיליקון-. עם זאת, יש צורך גם להתאים את המודל המבוסס על תכולת סיליקון ומערכת הרחצה.

1. נקודת כאב ליבה של סיליקון-אנודות מבוססות: הרחבת נפח גורמת לשבר וכשל ברשת מוליכות

האתגר הטכני הגדול ביותר של אנודות המבוססות על-סיליקון הוא התרחבות והתכווצות הנפח החמורים במהלך-מחזור הטעינה. תוספים מוליכים נקודתיים-מסורתיים נוטים מאוד לאבד מגע, מה שגורם לעלייה חדה בהתנגדות הפנימית של התא ולפירוק מחזור מהיר. זה מציב דרישות גבוהות ליכולת החציצה המכנית של התוסף המוליך.

במהלך ליטיאציה, חומרים המבוססים על-סיליקון יכולים לחוות הרחבת נפח של 200-300%, ולאחר מכן התכווצות עם דהייה. לאחר רכיבה חוזרת על אופניים, חלקיקי סיליקון נוטים להתפורר. תוספים מוליכים פחמן שחור רגילים מסתמכים על מגע נקודתי בין חלקיקים לבניית מסלולים. לאחר התרחבות ותזוזה של חלקיקי הסיליקון, חלקיקי הפחמן השחור עוברים ומתנתקים, שוברים ישירות את הקישורים המוליכים, מה שגורם לעלייה מתמשכת בהתנגדות הפנימית של האלקטרודה ולירידה מהירה בקיבולת. יחד עם זאת, לסיליקון עצמו יש מוליכות חלשה. אם התוסף המוליך אינו יכול ליצור רשת רציפה לאורך כל יריעת האלקטרודות, הוא גם יגרום לבעיות נגזרות כגון יכולת קצב ירודה ויעילות נמוכה במחזור הראשון.

אנודות המבוססות על-סיליקון בשוק מחולקות למערכות סיליקון גבוהות- ומערכות סיליקון מרוכבות של SiO-. ככל שתכולת הסיליקון גבוהה יותר, כך ההשפעה ההרסנית של ההתרחבות בולטת יותר, ודרישות הביצועים המקיפות של המשחה המוליך גבוהות יותר.

במהלך אינטראקציות עם לקוחות רבים של אנודות סיליקון-, שאנדונג טנפנג גילתה שצוותי מחקר ופיתוח רבים מעתיקים ישירות את הניסוחים התוספים המוליכים של אנודות גרפיט, ומחילים פחמן שחור רגיל ישירות על אנודות מבוססות סיליקון{{1}. בעוד שביצועים עשויים להיות מקובלים בקנה מידה מעבדתי, לאחר מאות מחזורים, הביצועים יורדים בחדות. הסיבה לכך היא שהנזק לרשת המוליך שנגרם כתוצאה מהתרחבות התעלם.

2. ארבעה יתרונות הליבה של משחה מוליכה ננו-צינורית פחמן עבור אנודות מבוססות סיליקון-

בהשוואה לפחמן שחור, משחה מוליך ננו-צינורית פחמן, בהסתמך על המבנה הצינורי הארוך החד-ממדי שלו, בונה רשת מוליכה תלת-ממדית גמישה שיכולה לעמוד בהתרחבות והתכווצות חוזרים ונשנים של חלקיקי סיליקון, משיגה מוליכות גבוהה בכמויות הוספה נמוכות, תוך התאמה לתנאי הפעולה המיוחדים של סיליקון{2}.

1. רשת מוליכות גמישה לטווח ארוך-, שמירה על מסלולים לא מופרעים במהלך התרחבות והתכווצות

לננו-צינוריות פחמן יש יחסי רוחב-גובה של 500-1000 או יותר, החופפות בתוך האלקטרודה ליצירת רשת מוליכה הדומה ל"פיגום אלסטי". כאשר חלקיקי סיליקון מתרחבים ומתכווצים, צינורות הפחמן עלולים להתעוות כמו קפיצים מבלי לנתק מגע ישירות, ולשמור ברציפות על תעלות הובלת אלקטרונים. לעומת זאת, המגעים הנקודתיים של פחמן שחור נוטים מאוד לאבד מגע לאחר עקירת חלקיקים.

2. כמות תוספת נמוכה, מפנה יותר מקום לחומר פעיל, שיפור צפיפות האנרגיה

המקום במערכת האנודה המבוססת על-סיליקון הוא בעל ערך רב. שיעור גבוה של תוסף מוליך ידחק את שיעור החומר הפעיל של סיליקון-פחמן. כמות ההוספה האפקטיבית של משחת מוליך MWCNT באנודות פחמן-סיליקון היא בדרך כלל רק 0.3-1.0%, ומשיגה השפעות מוליכות אידיאליות. פחמן שחור מסורתי דורש לעתים קרובות תוספת של 2-4%, תופס את שיעור החומר הפעיל ומגביל את שיפור צפיפות האנרגיה של התא.

3. מאפיינים מכניים מצוינים, מתח התפשטות חלקיקי סיליקון

לננו-צינוריות פחמן יש מודול אלסטי גבוה וקשיחות טובה, המסוגלות לחסום מתח פנימי הנגרם מהתפשטות חלקיקי סיליקון, להקל על פיצוח יריעות אלקטרודות ונשירת אבקה, להפחית את הסיכון לכשל כתוצאה מריסוק חומר פעיל, לשפר בעקיפין את יציבות הסרט SEI ולהפחית את יצירת הגז מתגובות צד מתמשכות של אלקטרוליטים.

4. תואם הן למערכות נפט-מבוססות NMP והן למערכות סיליקון מבוססות מים-

נכון לעכשיו, אנודות המבוססות על-סיליקון משתמשות בעיקר בתהליכים המבוססים על מים-, בשילוב עם קלסרים CMC-SBR, אשר מציבים דרישות מחמירות לתאימות של חומר הפיזור המשחה המוליך. משחה מוליך CNT מוסמך יכולה להשיג תאימות טובה במערכות מבוססות מים- מבלי להרוס את מערכת הקלסרים, עם ריאולוגיה יציבה של תמיסה, ופחות נוטה לפגמי פסים וחורים במהלך הציפוי.

תַקצִיר:היתרונות של משחה מוליך CNT בנויים על הנחת היסוד של פיזור יסודי. אם ה-CNTs במשחה נצברים בצורה חמורה, לא ניתן לממש אף אחד מהיתרונות שלעיל.

שאנדונג טנפנג פיתחה במיוחד סיליקון-משחה מוליך CNT ייעודית לתנאי האנודה-בסיליקון, והשיקה דגמים מבוססי נפט-על בסיס-NMP ומבוססי מים-. יחס הגובה-רוחב של חומר הפיזור ו-CNT עבר אופטימיזציה כדי להתאים את עצמם למערכת הקישור המבוססת על מים-CMC-SBR-, ובכך מעכבת ביעילות את עיבוי התרחיץ והגליון באנודות סיליקון. מחקר ופיתוח ופיתוח המוני של אנודות סיליקון- רבים משתמשים באלה ישירות לניסויים בקנה מידה קטן- וניסויים פיילוטים, מה שמפחית את מחזור ניפוי הניסוח.

3. מהן החסרונות המעשיים של שימוש במשחה מוליך CNT עבור אנודות מבוססות סיליקון-?

משחה מוליך CNT אינה פתרון אוניברסלי. בחירה לא נכונה עלולה להוביל לצמיגות גבוהה של תמיסת ולקשיי פיזור. עבור מערכות סיליקון גבוהות-, התאמת פרמטר CNT חייבת להיעשות כראוי; לא ניתן להעתיק ישירות את הפרמטרים של משחת האנודה של גרפיט.

דרישות גבוהות לתהליך הפיזור:אם משחת ה-CNT המוליך עצמה אינה מפוזרת כראוי ומכילה כמות גדולה של אגרטלים, הם יווצרו איים מוליכים באנודה המבוססת על-סיליקון, לא רק שלא יסייעו אלא גם יגרמו לכתמים שחורים ולסיכוני מיקרו-קצר חשמלי על יריעת האלקטרודה.

בקרת צמיגות קשה:לננו-צינוריות פחמן יש שטח פנים ספציפי גבוה, ובאותה כמות הוספה, הן מגדילות ביתר קלות את הצמיגות של תרחית האנודה. לאנודות המבוססות על-סיליקון עצמן יש מורפולוגיה מורכבת של חלקיקים, הדורשת שליטה מתואמת של תוכן מוצק וצמיגות במהלך ניפוי באגים בניסוח.

למערכות סיליקון גבוהות- וסיליקון טהור עדיין יש מגבלות עם CNTs בלבד:עבור מערכות סיליקון גבוהות- עם תכולת סיליקון העולה על 30%, ההסתמכות רק על משחה מוליך CNT אינה מספיקה כדי לקזז במלואה את ההתרחבות המאסיבית. התעשייה משתמשת בדרך כלל בפתרון מוליך היברידי של CNTs + פחמן שחור כדי להשיג יתרונות משלימים.

4. נקודות בחירה מעשיות לשימוש בהדבקה מוליך CNT בסיליקון-אנודות מבוססות

בעת רכישת משחה מוליך CNT, אל תסתכל רק על תוכן מוצק. יש לשלב אותו עם תכולת סיליקון, מערכת ממס תרחיץ וסוג קלסר, תוך התמקדות באורך CNT, מצב פיזור ואינדיקטורים לטומאה.

הבחנה את מערכת הממס:אל תשתמש ישירות במשחה על בסיס שמן-NMP עבור אנודות סיליקון על בסיס מים-; חוסר התאמה של הממס יהרוס ישירות את מערכת התלושים, ויגרום להצקה ושכבות.

תכולת סיליקון גבוהה יותר:אל תרדוף באופן עיוור אחרי CNT ארוכים מדי. צינורות ארוכים מדי עלולים לגרום בקלות להסתבכות ועיבוי של תפוחים. בחר בדגמי CNT באורך-בינוני המתאימים לאנודות סיליקון.

שימו לב לאינדיקטורים של טומאה מתכת:אנודות על בסיס-סיליקון רגישות לזיהומי מתכת. זיהומים מוגזמים עלולים בקלות לגרום לפריקה-עצמית של התא.

תעדוף אימות-בקנה מידה קטן:תחילה בצעו בדיקות דגימות קטנות-, בחנו את תאימות ההדבקה, מראה ציפוי גיליונות האלקטרודות, ביצועי המחזור ונתוני ההתנגדות הפנימית, ולאחר מכן הגדלו לייצור המוני.

כיצרנית משחות מוליכות CNT, שאנדונג טנפנג יכולה לספק תמיכה בדגימות קטנות עבור פרויקטי אנודה מבוססי סיליקון-. בהתבסס על תכולת הסיליקון של הלקוח והמערכת המבוססת על מים/שמן-, היא מספקת הצעות בחירה ממוקדות ומפיקה הפניות לתהליך להאכלה וערבוב, ועוזרת ללקוחות להימנע מעקיפות של ניפוי באגים.

5. סיכום מאמר מלא

הסיבה העיקרית לכך שהאנודות המבוססות על סיליקון -נותנות עדיפות לדבק מוליך CNT היא שהרשת החד-ממדית הגמישה- פותרת את הבעיה של שבירה של קישור מוליך הנגרמת מהתרחבות חלקיקי סיליקון, ומשיגה כמויות הוספה נמוכות תוך איזון מוליכות וצפיפות אנרגיה. עם זאת, יש להתאים את מודל המערכת המתאים; עבור תרחישי סיליקון גבוהים, מומלץ להרכיב עם תוספים מוליכים אחרים, ואין להעתיק ישירות את תמיסת משחת האנודה של גרפיט.

הכישלון של האנודות המבוססות-סיליקון לרוב אינו נובע לחלוטין מחומר הסיליקון עצמו. האם התוסף המוליך יכול לעמוד בשינויי הנפח במהלך רכיבה על אופניים הוא קריטי. תוספים מוליכים פחמן שחור מסורתיים, המוגבלים על ידי מנגנון המגע הנקודתי שלהם במערכות סיליקון-, נאבקים להשיג חיי מחזור ארוכים. משחה מוליך CNT, בזכות מבנה הרשת החד-ממדי הייחודי שלה, הפכה לבחירה המרכזית לתיעוש של אנודות פחמן סיליקון-. במהלך הבחירה, אל תסתכל רק על מדדי תוכן מוצקים; להעריך באופן מקיף את פיזור, צמיגות, זיהומים ותאימות מערכת.

ל-Shandong Tanfeng יש מוצרי משחה מוליכים מסוג CNT עם-מפרט רב המתאימים לאנודות מבוססות סיליקון-ויכולים לתמוך בפיתוח מותאם אישית. היא גם מספקת תיאום טכני של תהליכי הרחצה, ומציעה שירותים תומכים מלאים למוסדות מו"פ ויצרני סוללות.

שאלות נפוצות

ש: האם אנודות על בסיס-סיליקון יכולות להשתמש רק במשחה מוליך CNT ללא פחמן שחור?

ת: מערכות SiO/C סיליקון נמוך-בינוני יכולות לנסות זאת, אבל רוב הפורמולציות התעשייתיות כוללות כמות קטנה של פחמן שחור בשילוב. פחמן שחור ממלא את הפערים בין החלקיקים, מייעל באופן סינרגטי את הרשת המוליכה ומפחית את עלות הניסוח הכוללת.

ש: האם ניתן להשתמש במשחת CNT המשמשת לאנודות גרפיט רגילות ישירות לאנודות סיליקון על בסיס מים?

ת: שימוש ישיר אינו מומלץ. יתכן שפורמולציית הפיזור עבור משחת האנודה של גרפיט לא תהיה תואמת למערכת ה-CMC-SBR, מה שיגרום בקלות לעיבוי ושקיעה של הרחצה. תעדוף-משחה מוליכה CNT מבוססת מים שתוכננה במיוחד עבור אנודות סיליקון.

ש: מהי כמות התוספת האופיינית של משחה מוליך CNT עבור אנודות פחמן-סיליקון?

ת: עבור אנודות פחמן-סיליקון SiO/C, כמות הוספת ה-CNT האפקטיבית נשלטת בדרך כלל בטווח של 0.3-1.0%. ככל שתכולת הסיליקון גבוהה יותר, יש לכייל מחדש את חלון ההוספה האופטימלי באמצעות ניסויים.