Aplicação de materiais de elétrodo negativo à base de silício em baterias de iões de lítio
Com o desenvolvimento vigoroso de novos veículos energéticos, armazenamento de energia e outros mercados, o tamanho do mercado e o nível técnico das baterias de lítio e dos materiais de elétrodos negativos continuam a melhorar. Atualmente, a capacidade específica dos materiais comerciais de elétrodos negativos de grafite está próxima da capacidade específica teórica dos materiais de grafite, e a aplicação comercial de materiais de elétrodos negativos à base de silício foi ainda mais acelerada.
Os materiais de elétrodos negativos à base de silício tornaram-se um ponto importante na investigação de materiais de elétrodos negativos de baterias de iões de lítio devido à sua capacidade específica teórica extremamente elevada. A capacidade específica teórica dos materiais de elétrodo negativo de silício é muito maior do que a dos materiais de elétrodo negativo de grafite comercial, e a tensão de trabalho é moderada, o que faz com que os materiais de elétrodo negativo à base de silício tenham vantagens significativas na melhoria da densidade de energia da bateria. No entanto, a expansão e contração do volume do silício durante a carga e descarga é muito grande, resultando em fissuras e fragmentação do material, bem como no espessamento contínuo do filme SEI, o que afeta seriamente a estabilidade do ciclo e o desempenho da taxa da bateria.
A fim de resolver os defeitos dos materiais de elétrodos negativos à base de silício em aplicações de baterias de iões de lítio, os investigadores propuseram uma variedade de rotas técnicas, incluindo nanotecnologia, tecnologia de materiais compósitos, design estrutural, modificação de superfícies, otimização de eletrólitos, pré-litiação, porosidade silício e liga de silício, etc.
These technical routes cover all stages from laboratory research to industrial application, alleviating the volume expansion problem through nano-sizing and composite materials technology, improving conductivity and stability through structural design and surface modification, and enhancing the overall performance of the battery by optimizing the electrolyte sistema. A tecnologia de pré-litiação pode melhorar a eficiência coulombiana inicial, a estrutura porosa do silício ajuda a aliviar as alterações de volume e a liga de silício pode proporcionar maior capacidade e estabilidade. Espera-se que a aplicação abrangente destas rotas técnicas alcance materiais de elétrodo negativo à base de silício de alto desempenho, longa vida e baixo custo, e promova a sua ampla popularidade em aplicações práticas.
Atualmente, os materiais de silício-carbono e os materiais de silício-oxigénio são as duas principais rotas técnicas para os elétrodos negativos à base de silício.
Entre eles, os materiais de elétrodo negativo de silício-carbono são conhecidos pela sua elevada eficiência coulombiana, mas o seu ciclo de vida precisa de ser melhorado. Ao realizar o nanodimensionamento de materiais de silício, os problemas de expansão e quebra gerados durante o processo de carga e descarga podem ser reduzidos, aumentando assim ainda mais o seu ciclo de vida. Relativamente falando, a principal vantagem dos materiais de elétrodo negativo de silício-oxigénio é a sua excelente estabilidade de ciclo, embora a primeira eficiência seja baixa. No entanto, ao adoptar meios técnicos como a pré-litiação, a sua primeira eficiência pode ser efectivamente melhorada.
Em termos de aplicações comerciais, atualmente, as principais aplicações comerciais dos materiais de elétrodos negativos à base de silício incluem o óxido de silício revestido de carbono, o carbono nano-silício, os nanofios de silício e as ligas de silício amorfo. Entre eles, o óxido de silício revestido de carbono e o carbono nano-silício têm o mais alto grau de comercialização e são geralmente misturados com grafite na proporção de 5% a 10%. Nos últimos anos, os materiais de elétrodos negativos à base de silício estão a ser gradualmente industrializados.
In the field of solid-state batteries, silicon-based negative electrode materials are considered to be one of the key development directions of solid-state battery negative electrode materials due to their high theoretical energy density, excellent fast charge and discharge performance and excellent safety desempenho.