Aplikasi bahan elektroda negatif berbasis silikon dalam baterai lithium-ion
Dengan pesatnya perkembangan kendaraan energi baru, penyimpanan energi, dan pasar lainnya, ukuran pasar dan tingkat teknis baterai litium serta material elektroda negatif terus meningkat. Saat ini, kapasitas spesifik material elektroda negatif grafit komersial mendekati kapasitas spesifik teoritis material grafit, dan aplikasi komersial material elektroda negatif berbasis silikon semakin dipercepat.
Material elektroda negatif berbasis silikon telah menjadi pusat perhatian dalam penelitian material elektroda negatif baterai litium-ion karena kapasitas spesifik teoritisnya yang sangat tinggi. Kapasitas spesifik teoritis material elektroda negatif silikon jauh lebih tinggi daripada material elektroda negatif grafit komersial, dan tegangan kerjanya sedang, yang membuat material elektroda negatif berbasis silikon memiliki keunggulan signifikan dalam meningkatkan kepadatan energi baterai. Namun, ekspansi dan kontraksi volume silikon selama pengisian dan pengosongan terlalu besar, yang mengakibatkan keretakan dan fragmentasi material, serta penebalan film SEI secara terus-menerus, yang secara serius memengaruhi stabilitas siklus dan kinerja laju baterai.
Untuk mengatasi cacat bahan elektroda negatif berbasis silikon dalam aplikasi baterai lithium-ion, para peneliti telah mengusulkan berbagai rute teknis, termasuk nanoteknologi, teknologi material komposit, desain struktural, modifikasi permukaan, optimasi elektrolit, pra-litiasi, silikon berpori dan silikon paduan, dll.
Rute teknis ini mencakup semua tahap dari penelitian laboratorium hingga aplikasi industri, mengurangi masalah ekspansi volume melalui teknologi material komposit dan ukuran nano, meningkatkan konduktivitas dan stabilitas melalui desain struktural dan modifikasi permukaan, dan meningkatkan kinerja baterai secara keseluruhan dengan mengoptimalkan sistem elektrolit. Teknologi pra-litiasi dapat meningkatkan efisiensi coulombik awal, struktur silikon berpori membantu mengurangi perubahan volume, dan silikon paduan dapat memberikan kapasitas dan stabilitas yang lebih tinggi. Aplikasi komprehensif dari rute teknis ini diharapkan dapat mencapai bahan elektroda negatif berbasis silikon berkinerja tinggi, tahan lama, dan berbiaya rendah, serta meningkatkan popularitasnya yang meluas dalam aplikasi praktis.
Saat ini, bahan silikon-karbon dan bahan silikon-oksigen adalah dua rute teknis utama untuk elektroda negatif berbasis silikon.
Di antara bahan-bahan tersebut, bahan elektroda negatif silikon-karbon dikenal karena efisiensi coulombik pertamanya yang tinggi, tetapi siklus hidupnya perlu ditingkatkan. Dengan mewujudkan ukuran nano bahan silikon, masalah pemuaian dan kerusakan yang dihasilkan selama proses pengisian dan pengosongan dapat dikurangi, sehingga semakin meningkatkan siklus hidupnya. Secara relatif, keuntungan utama bahan elektroda negatif silikon-oksigen adalah stabilitas siklusnya yang sangat baik, meskipun efisiensi pertamanya rendah. Namun, dengan mengadopsi cara-cara teknis seperti pra-lithiasi, efisiensi pertamanya dapat ditingkatkan secara efektif.
Dalam hal aplikasi komersial, saat ini, aplikasi komersial utama bahan elektroda negatif berbasis silikon meliputi silikon oksida berlapis karbon, karbon silikon nano, kawat nano silikon, dan paduan silikon amorf. Di antara bahan-bahan tersebut, silikon oksida berlapis karbon dan karbon silikon nano memiliki tingkat komersialisasi tertinggi, dan biasanya dicampur dengan grafit pada rasio 5%-10%. Dalam beberapa tahun terakhir, bahan elektroda negatif berbasis silikon secara bertahap diindustrialisasi.
Di bidang baterai solid-state, bahan elektroda negatif berbasis silikon dianggap sebagai salah satu arah pengembangan utama bahan elektroda negatif baterai solid-state karena kepadatan energi teoritisnya yang tinggi, kinerja pengisian dan pengosongan cepat yang sangat baik, dan kinerja keselamatan yang sangat baik.