تطبيق مواد الأقطاب السالبة القائمة على السيليكون في بطاريات الليثيوم أيون

مع التطور القوي لمركبات الطاقة الجديدة وتخزين الطاقة والأسواق الأخرى، يستمر حجم السوق والمستوى الفني لبطاريات الليثيوم ومواد الأقطاب السالبة في التحسن. في الوقت الحاضر، تقترب السعة النوعية لمواد الأقطاب السالبة الجرافيتية التجارية من السعة النوعية النظرية لمواد الجرافيت، كما تسارع التطبيق التجاري لمواد الأقطاب السالبة القائمة على السيليكون.

أصبحت مواد الأقطاب السالبة القائمة على السيليكون نقطة ساخنة في أبحاث مواد الأقطاب السالبة لبطاريات الليثيوم أيون بسبب سعتها النوعية النظرية العالية للغاية. السعة النوعية النظرية لمواد الأقطاب السالبة السيليكونية أعلى بكثير من تلك الخاصة بمواد الأقطاب السالبة الجرافيتية التجارية، والجهد العامل معتدل، مما يجعل مواد الأقطاب السالبة القائمة على السيليكون تتمتع بمزايا كبيرة في تحسين كثافة طاقة البطارية. ومع ذلك، فإن تمدد وانكماش حجم السيليكون أثناء الشحن والتفريغ كبير جدًا، مما يؤدي إلى تشقق المواد وتفتتها، فضلاً عن السماكة المستمرة لفيلم SEI، مما يؤثر بشكل خطير على استقرار الدورة وأداء معدل البطارية.

من أجل حل عيوب مواد الأقطاب السالبة القائمة على السيليكون في تطبيقات بطاريات الليثيوم أيون، اقترح الباحثون مجموعة متنوعة من الطرق التقنية، بما في ذلك تكنولوجيا النانو، وتكنولوجيا المواد المركبة، والتصميم الهيكلي، وتعديل السطح، وتحسين الإلكتروليت، والليثيوم المسبق، والسيليكون المسامي وسبائك السيليكون، إلخ.

تغطي هذه الطرق التقنية جميع المراحل من البحث المختبري إلى التطبيق الصناعي، وتخفيف مشكلة التوسع في الحجم من خلال تكنولوجيا النانو والمواد المركبة، وتحسين الموصلية والاستقرار من خلال التصميم الهيكلي وتعديل السطح، وتعزيز الأداء العام للبطارية من خلال تحسين نظام الإلكتروليت. يمكن لتكنولوجيا الليثيوم المسبق تحسين الكفاءة الكولومبية الأولية، ويساعد هيكل السيليكون المسامي في تخفيف تغيرات الحجم، ويمكن أن يوفر السيليكون السبائكي سعة واستقرارًا أعلى. ومن المتوقع أن يحقق التطبيق الشامل لهذه الطرق التقنية مواد أقطاب سالبة عالية الأداء وطويلة العمر ومنخفضة التكلفة قائمة على السيليكون، وتعزيز شعبيتها على نطاق واسع في التطبيقات العملية.

في الوقت الحاضر، تعد مواد السيليكون والكربون ومواد السيليكون والأكسجين الطريقتين التقنيتين الرئيسيتين للأقطاب السالبة القائمة على السيليكون.

من بينها، تشتهر مواد الأقطاب السالبة المصنوعة من السيليكون والكربون بكفاءتها العالية في أول كولومب، ولكن دورة حياتها تحتاج إلى التحسين. من خلال تحقيق الحجم النانوي لمواد السيليكون، يمكن تقليل مشاكل التمدد والكسر الناتجة أثناء عملية الشحن والتفريغ، وبالتالي تعزيز دورة حياتها بشكل أكبر. من الناحية النسبية، الميزة الرئيسية لمواد الأقطاب السالبة المصنوعة من السيليكون والأكسجين هي استقرار الدورة الممتاز، على الرغم من أن الكفاءة الأولى منخفضة. ومع ذلك، من خلال اعتماد وسائل تقنية مثل الليثيوم المسبق، يمكن تحسين كفاءتها الأولى بشكل فعال.

من حيث التطبيقات التجارية، حاليًا، تشمل التطبيقات التجارية الرئيسية لمواد الأقطاب السالبة القائمة على السيليكون أكسيد السيليكون المغلف بالكربون، وكربون السيليكون النانوي، وأسلاك السيليكون النانوية وسبائك السيليكون غير المتبلورة. من بينها، يتمتع أكسيد السيليكون المغلف بالكربون وكربون السيليكون النانوي بأعلى درجة من التسويق، وعادة ما يتم خلطهما مع الجرافيت بنسبة 5٪ -10٪. في السنوات الأخيرة، يتم تصنيع مواد الأقطاب السالبة القائمة على السيليكون تدريجيًا.

في مجال البطاريات ذات الحالة الصلبة، تعتبر مواد الأقطاب السالبة القائمة على السيليكون واحدة من اتجاهات التطوير الرئيسية لمواد الأقطاب السالبة للبطاريات ذات الحالة الصلبة بسبب كثافتها العالية للطاقة النظرية وأدائها الممتاز في الشحن والتفريغ السريع وأدائها الممتاز في مجال السلامة.