کاربرد مواد الکترود منفی مبتنی بر سیلیکون در باتری‌های لیتیوم یونی
با توسعه شدید وسایل نقلیه انرژی جدید، ذخیره انرژی و سایر بازارها، اندازه بازار و سطح فنی باتری های لیتیومی و مواد الکترود منفی همچنان بهبود می یابد. در حال حاضر، ظرفیت ویژه مواد الکترود منفی گرافیت تجاری نزدیک به ظرفیت ویژه نظری مواد گرافیتی است و کاربرد تجاری مواد الکترود منفی مبتنی بر سیلیکون تسریع بیشتری یافته است.
مواد الکترود منفی مبتنی بر سیلیکون به دلیل ظرفیت ویژه نظری بسیار بالا، به یک نقطه داغ در تحقیقات مواد الکترود منفی باتری لیتیوم یون تبدیل شده‌اند. ظرفیت ویژه نظری مواد الکترود منفی سیلیکون بسیار بالاتر از مواد الکترود منفی گرافیت تجاری است و ولتاژ کاری متوسط است که باعث می شود مواد الکترود منفی مبتنی بر سیلیکون مزایای قابل توجهی در بهبود چگالی انرژی باتری داشته باشند. با این حال، انبساط حجمی و انقباض سیلیکون در هنگام شارژ و دشارژ بسیار زیاد است، که منجر به ترک خوردگی و تکه تکه شدن مواد و همچنین ضخیم شدن مداوم فیلم SEI می شود که به طور جدی بر پایداری چرخه و عملکرد سرعت باتری تأثیر می گذارد.
به منظور حل عیوب مواد الکترود منفی مبتنی بر سیلیکون در کاربردهای باتری لیتیوم یون، محققان مسیرهای فنی مختلفی از جمله فناوری نانو، فناوری مواد کامپوزیت، طراحی ساختاری، اصلاح سطح، بهینه‌سازی الکترولیت، پیش لیتیاسیون، متخلخل پیشنهاد کرده‌اند. سیلیکون و سیلیکون آلیاژی و غیره
این مسیرهای فنی تمام مراحل از تحقیقات آزمایشگاهی تا کاربرد صنعتی را پوشش می‌دهد، مشکل انبساط حجمی را از طریق فناوری نانو اندازه‌گیری و مواد کامپوزیت کاهش می‌دهد، رسانایی و پایداری را از طریق طراحی ساختاری و اصلاح سطح بهبود می‌بخشد، و عملکرد کلی باتری را با بهینه‌سازی الکترولیت افزایش می‌دهد. سیستم فناوری پیش لیتیاسیون می تواند کارایی کولمبیک اولیه را بهبود بخشد، ساختار سیلیکونی متخلخل به کاهش تغییرات حجم کمک می کند و سیلیکون آلیاژی می تواند ظرفیت و پایداری بالاتری را ارائه دهد. انتظار می رود کاربرد جامع این مسیرهای فنی به مواد الکترود منفی مبتنی بر سیلیکون با کارایی بالا، عمر طولانی و کم هزینه دست یابد و محبوبیت گسترده آنها را در کاربردهای عملی ارتقا دهد.
در حال حاضر، مواد سیلیکون کربن و مواد سیلیکون اکسیژن دو مسیر فنی اصلی برای الکترودهای منفی مبتنی بر سیلیکون هستند.
در میان آنها، مواد الکترود منفی سیلیکون-کربن به‌خاطر راندمان اول کولمبی بالا شناخته می‌شوند، اما عمر چرخه آنها باید بهبود یابد. با درک نانو اندازه مواد سیلیکونی، مشکلات انبساط و شکستگی ایجاد شده در طول فرآیند شارژ و دشارژ را می توان کاهش داد و در نتیجه عمر چرخه آنها را بیشتر کرد. به طور نسبی، مزیت اصلی مواد الکترود منفی سیلیکون-اکسیژن پایداری سیکل عالی آنهاست، اگرچه اولین راندمان پایین است. با این حال، با اتخاذ ابزارهای فنی مانند پیش لیتیشن، اولین کارایی آنها می تواند به طور موثر بهبود یابد.
از نظر کاربردهای تجاری، در حال حاضر، عمده ترین کاربردهای تجاری مواد الکترود منفی مبتنی بر سیلیکون شامل اکسید سیلیکون پوشش داده شده با کربن، کربن نانو سیلیسیم، نانوسیم های سیلیکونی و آلیاژهای سیلیکون آمورف است. در این میان اکسید سیلیکون روکش شده با کربن و کربن نانو سیلیکون دارای بالاترین درجه تجاری سازی هستند و معمولاً با نسبت 5 تا 10 درصد با گرافیت مخلوط می شوند. در سال های اخیر، مواد الکترود منفی مبتنی بر سیلیکون به تدریج در حال صنعتی شدن هستند.
در زمینه باتری های حالت جامد، مواد الکترود منفی مبتنی بر سیلیکون به دلیل چگالی انرژی نظری بالا، عملکرد شارژ سریع و دشارژ عالی و ایمنی عالی یکی از جهت گیری های کلیدی توسعه مواد الکترود منفی باتری های حالت جامد در نظر گرفته می شود. عملکرد