การประยุกต์ใช้วัสดุอิเล็กโทรดลบที่ทำจากซิลิกอนในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

ด้วยการพัฒนาอย่างเข้มแข็งของยานยนต์พลังงานใหม่ การจัดเก็บพลังงาน และตลาดอื่นๆ ขนาดตลาดและระดับเทคนิคของแบตเตอรี่ลิเธียมและวัสดุอิเล็กโทรดลบยังคงปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง ในปัจจุบัน ความจุเฉพาะของวัสดุอิเล็กโทรดลบกราไฟต์เชิงพาณิชย์ใกล้เคียงกับความจุเฉพาะทางทฤษฎีของวัสดุกราไฟต์ และการใช้งานเชิงพาณิชย์ของวัสดุอิเล็กโทรดลบที่ใช้ซิลิกอนได้รับการเร่งให้เร็วขึ้นอีก

วัสดุอิเล็กโทรดลบที่ใช้ซิลิกอนได้กลายเป็นจุดสนใจในการวิจัยวัสดุอิเล็กโทรดลบของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเนื่องจากความจุเฉพาะทางทฤษฎีที่สูงมาก ความจุเฉพาะทางทฤษฎีของวัสดุอิเล็กโทรดลบซิลิกอนสูงกว่าวัสดุอิเล็กโทรดลบกราไฟต์เชิงพาณิชย์มาก และแรงดันไฟฟ้าในการทำงานอยู่ในระดับปานกลาง ซึ่งทำให้วัสดุอิเล็กโทรดลบที่ใช้ซิลิกอนมีข้อได้เปรียบที่สำคัญในการปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงานแบตเตอรี่ อย่างไรก็ตาม การขยายตัวและหดตัวของปริมาตรของซิลิกอนในระหว่างการชาร์จและการคายประจุมีขนาดใหญ่เกินไป ส่งผลให้วัสดุแตกร้าวและแตกเป็นเสี่ยง รวมถึงฟิล์ม SEI หนาขึ้นอย่างต่อเนื่อง ซึ่งส่งผลกระทบอย่างร้ายแรงต่อเสถียรภาพของวงจรและประสิทธิภาพอัตราของแบตเตอรี่

เพื่อแก้ไขข้อบกพร่องของวัสดุอิเล็กโทรดลบที่ใช้ซิลิกอนในแอปพลิเคชั่นแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน นักวิจัยได้เสนอแนวทางทางเทคนิคที่หลากหลาย รวมถึงนาโนเทคโนโลยี เทคโนโลยีวัสดุคอมโพสิต การออกแบบโครงสร้าง การปรับเปลี่ยนพื้นผิว การเพิ่มประสิทธิภาพอิเล็กโทรไลต์ การเตรียมลิเธียมล่วงหน้า ซิลิกอนที่มีรูพรุนและซิลิกอนอัลลอยด์ เป็นต้น

แนวทางทางเทคนิคเหล่านี้ครอบคลุมทุกขั้นตอนตั้งแต่การวิจัยในห้องปฏิบัติการไปจนถึงการใช้งานในอุตสาหกรรม บรรเทาปัญหาการขยายตัวของปริมาตรด้วยเทคโนโลยีนาโนขนาดและวัสดุคอมโพสิต ปรับปรุงสภาพนำไฟฟ้าและความเสถียรผ่านการออกแบบโครงสร้างและการปรับเปลี่ยนพื้นผิว และเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมของแบตเตอรี่โดยเพิ่มประสิทธิภาพระบบอิเล็กโทรไลต์ เทคโนโลยีการเตรียมลิเธียมล่วงหน้าสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพคูลอมบิกเบื้องต้น โครงสร้างซิลิกอนที่มีรูพรุนช่วยบรรเทาการเปลี่ยนแปลงปริมาตร และซิลิกอนอัลลอยด์สามารถให้ความจุและความเสถียรที่สูงขึ้น คาดว่าการใช้แนวทางทางเทคนิคเหล่านี้อย่างครอบคลุมจะบรรลุวัสดุอิเล็กโทรดลบที่ใช้ซิลิกอนที่มีประสิทธิภาพสูง อายุการใช้งานยาวนาน และต้นทุนต่ำ และส่งเสริมให้ได้รับความนิยมอย่างแพร่หลายในการใช้งานจริง

ปัจจุบัน วัสดุซิลิกอน-คาร์บอนและวัสดุซิลิกอน-ออกซิเจนเป็นแนวทางทางเทคนิคหลักสองทางสำหรับอิเล็กโทรดลบที่ใช้ซิลิกอน

ในบรรดาวัสดุเหล่านี้ อิเล็กโทรดลบซิลิกอน-คาร์บอนเป็นที่รู้จักกันว่ามีประสิทธิภาพคูลอมบิกแรกสูง แต่ยังต้องมีการปรับปรุงอายุการใช้งานของวัสดุเหล่านี้ การปรับขนาดนาโนของวัสดุซิลิกอนช่วยลดปัญหาการขยายตัวและการแตกหักที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการชาร์จและการปล่อยประจุ ส่งผลให้อายุการใช้งานของวัสดุเพิ่มขึ้น เมื่อเทียบกันแล้ว ข้อได้เปรียบหลักของวัสดุอิเล็กโทรดลบซิลิกอน-ออกซิเจนคือความเสถียรของรอบการทำงานที่ยอดเยี่ยม แม้ว่าประสิทธิภาพแรกจะต่ำก็ตาม อย่างไรก็ตาม การใช้เทคนิคต่างๆ เช่น การเตรียมลิเธียมล่วงหน้า สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพแรกได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ในแง่ของการใช้งานเชิงพาณิชย์ ปัจจุบัน การใช้งานเชิงพาณิชย์หลักของวัสดุอิเล็กโทรดลบที่ใช้ซิลิกอน ได้แก่ ซิลิกอนออกไซด์เคลือบคาร์บอน คาร์บอนนาโนซิลิกอน นาโนไวร์ซิลิคอน และโลหะผสมซิลิกอนอสัณฐาน ในบรรดาวัสดุเหล่านี้ ซิลิกอนออกไซด์เคลือบคาร์บอนและคาร์บอนนาโนซิลิกอนมีการใช้งานเชิงพาณิชย์สูงสุด และโดยปกติจะผสมกับกราไฟต์ในอัตราส่วน 5%-10% ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา วัสดุอิเล็กโทรดลบที่ใช้ซิลิกอนค่อยๆ ถูกนำไปใช้ในอุตสาหกรรม

ในด้านของแบตเตอรี่โซลิดสเตต วัสดุอิเล็กโทรดลบที่ทำจากซิลิกอน ถือเป็นทิศทางการพัฒนาที่สำคัญด้านหนึ่งของวัสดุอิเล็กโทรดลบของแบตเตอรี่โซลิดสเตต เนื่องจากมีความหนาแน่นพลังงานตามทฤษฎีสูง มีประสิทธิภาพในการชาร์จและคายประจุอย่างรวดเร็วที่ยอดเยี่ยม และมีคุณสมบัติด้านความปลอดภัยที่ยอดเยี่ยม