יישום של אבקת ננו סיליקון כחומר אלקטרודה שלילי בסוללות ליתיום

יישום של אבקת ננו סיליקון כחומר אלקטרודה שלילי בסוללות ליתיום
עקרון הפעולה
בשל קצב הספיגה הגבוה של ננוסיליקון בסוללות ליתיום, השימוש באבקת ננוסיליקון בסוללות ליתיום יכול להגדיל משמעותית את הקיבולת (תיאורטית עד 4000mA/h). שימוש באבקת ננו סיליקון וגרפיט כחומרי גלם, החלפת אבקת ננו פחמן, כחומרי אלקטרודות שליליות לסוללות ליתיום, הוכנו חומרי סיליקון/גרפיט מרוכבים על ידי כרסום כדור מכני. המבנה והביצועים של החומרים אופיינו על ידי XRD, SEM ובדיקות אלקטרוכימיות. יחסי מסה שונים של סיליקון וגרפיט נטחנו בכדור, והחומרים המרוכבים המתאימים נטענו ונפרקו. נמצא היחס האופטימלי בין סיליקון לגרפיט, בערך של 1:9. חיבור חומרים מרוכבים של Si-C יכולה להפחית ביעילות את ההתפשטות הנגרמת מספיגת יוני ליתיום על ידי סיליקון, להגביר את הזיקה לאלקטרוליט, להקל על פיזור ולשפר את ביצועי הרכיבה. שימוש באבקת ננו סיליקון לייצור חוטי ננו סיליקון לשימוש בחומר האלקטרודה השלילי של סוללות ליתיום נטענות, או ציפוי גרפיט על פני אבקת ננו סיליקון כחומר האלקטרודה השלילי של סוללות ליתיום נטענות, יכול להגדיל את הקיבול וזמני מחזור פריקת הטעינה של סוללות ליתיום נטענות ביותר מפי שלושה. תוצאות הניסוי מראות שלחומר שהתקבל יש גם ביצועי רכיבה גבוהים יותר מאשר סיליקון ננו טהור וגם קיבולת הפיכה גבוהה יותר מאשר גרפיט, תוך הגדלת קיבולת של סוללות ליתיום באופן משמעותי. כאשר יחס המסה של סיליקון לגרפיט הוא 4:6, דעיכת הקיבולת מהירה יותר. לאחר 25 מחזורים, הקיבולת היא 200mA. h/g, כך שתכולת הסיליקון בחומר המרוכב לא צריכה להיות גבוהה מדי. אם תכולת הסיליקון גבוהה, הגרפיט לא יכול לפזר את הסיליקון היטב, והסיכויים למגע בין ננו-סיליקון עולים, מה שמוביל להצטברות ולירידה ביעילות הקולומבית ובביצועי הרכיבה. כאשר יחס המסה של סיליקון לגרפיט הוא 3:7, למרות שהיכולת ההפיכה של החומר המרוכב לאחר 25 מחזורים גדולה מהיכולת ההפיכה כאשר יחס המסה של סיליקון לגרפיט הוא 4:6 (כ-240mA. h/g), ניתן לראות מהעקומה שההנחתה עדיין מהירה. ניתן לראות שכאשר יחס המסה של סיליקון לגרפיט הוא 1:9 ו-2:8, ביצועי הרכיבה טובים יותר ואילו 1:9 טובים יותר. בשל העובדה שמחירו של ננוסיליקון גבוה בהרבה מזה של גרפיט, אם מיושם בפרקטיקה של ייצור, יחס סיליקון לגרפיט של 1:9 הוא חסכוני יותר. בהשוואה לגרפיט טהור, הקיבולת ההפיכה של המרוכב עם יחס מסה של 1:9 השתפרה מאוד, שהיא יותר מפי שניים מזו של גרפיט. גם ביצועי הרכיבה טובים, מגיעים ל-310mA.h/g לאחר 30 מחזורים. לחומרים המכילים סיליקון וסיליקון יש קיבולת ספציפית גבוהה כחומרי אלקטרודה שליליים עבור סוללות ליתיום-יון, והקיבולת התיאורטית של סיליקון היא 4200mA.h/g. קומפוזיט הגרפיט/ננוסיליקון שהוכן בשיטת כרסום כדורים מכאני משמש כחומרי אלקטרודה שליליים לסוללות ליתיום-יון. חומר מרוכב זה משקף את קיבולת אחסון הליתיום הגבוהה של סיליקון וביצועים טובים ברכיבה על אופניים של גרפיט. המאפיין של אפקט נפח קטן. תוצאות הניסוי מראות שיחס המסה האופטימלי של סיליקון/גרפיט הוא 1:9. מבחני ביצועים אלקטרוכימיים מוכיחים כי החומר המרוכב שיפר משמעותית את ביצועי הרכיבה בהשוואה לאלקטרודות סיליקון טהורות ובעל קיבולת הפיכה גבוהה יותר מגרפיט, שצפוי להחליף את הגרפיט כדור חדש של חומר אלקטרודה שלילי עבור סוללות ליתיום-יון.
מטרה עיקרית:
1. שימוש באבקת ננו סיליקון לייצור חוטי ננו סיליקון לשימוש בחומר האלקטרודה השלילי של סוללות ליתיום נטענות, או ציפוי גרפיט על פני אבקת ננו סיליקון כחומר האלקטרודה השלילי של סוללות ליתיום נטענות, הגדיל את הקיבול ופריקת המטען זמני מחזור של סוללות ליתיום נטענות ביותר מפי שלושה.
2. אבקת סיליקון ננו משמשת בציפויים עמידים לטמפרטורות גבוהות וחומרים חסינים.
3. אבקת סיליקון ויהלום ננו מעורבבים בלחץ גבוה ליצירת חומר מרוכב יהלומי סיליקון קרביד, המשמש ככלי חיתוך!