Ứng dụng vật liệu điện cực âm gốc silicon trong pin lithium-ion
Với sự phát triển mạnh mẽ của các loại xe năng lượng mới, lưu trữ năng lượng và các thị trường khác, quy mô thị trường và trình độ kỹ thuật của pin lithium và vật liệu điện cực âm tiếp tục được cải thiện. Hiện tại, dung lượng riêng của vật liệu điện cực âm graphite thương mại gần với dung lượng riêng lý thuyết của vật liệu graphite và ứng dụng thương mại của vật liệu điện cực âm gốc silicon đã được đẩy nhanh hơn nữa.
Vật liệu điện cực âm gốc silicon đã trở thành điểm nóng trong nghiên cứu vật liệu điện cực âm của pin lithium-ion do dung lượng riêng lý thuyết cực cao của chúng. Dung lượng riêng lý thuyết của vật liệu điện cực âm silicon cao hơn nhiều so với vật liệu điện cực âm graphite thương mại và điện áp làm việc ở mức vừa phải, điều này khiến vật liệu điện cực âm gốc silicon có những ưu điểm đáng kể trong việc cải thiện mật độ năng lượng của pin. Tuy nhiên, sự giãn nở và co lại về thể tích của silicon trong quá trình sạc và xả quá lớn, dẫn đến nứt và phân mảnh vật liệu, cũng như màng SEI liên tục dày lên, ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ ổn định chu kỳ và hiệu suất tốc độ của pin.
Để giải quyết các khuyết tật của vật liệu điện cực âm gốc silicon trong các ứng dụng pin lithium-ion, các nhà nghiên cứu đã đề xuất nhiều lộ trình kỹ thuật khác nhau, bao gồm công nghệ nano, công nghệ vật liệu composite, thiết kế cấu trúc, sửa đổi bề mặt, tối ưu hóa chất điện phân, tiền lithi hóa, silicon xốp và silicon hợp kim, v.v.
Các lộ trình kỹ thuật này bao gồm tất cả các giai đoạn từ nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đến ứng dụng công nghiệp, giảm thiểu vấn đề giãn nở thể tích thông qua công nghệ nano hóa và vật liệu composite, cải thiện độ dẫn điện và độ ổn định thông qua thiết kế cấu trúc và sửa đổi bề mặt, đồng thời nâng cao hiệu suất tổng thể của pin bằng cách tối ưu hóa hệ thống chất điện phân. Công nghệ tiền lithi hóa có thể cải thiện hiệu suất coulomb ban đầu, cấu trúc silicon xốp giúp giảm thiểu sự thay đổi thể tích và silicon hợp kim có thể cung cấp dung lượng và độ ổn định cao hơn. Việc ứng dụng toàn diện các lộ trình kỹ thuật này dự kiến sẽ đạt được vật liệu điện cực âm gốc silicon hiệu suất cao, tuổi thọ cao và chi phí thấp, đồng thời thúc đẩy sự phổ biến rộng rãi của chúng trong các ứng dụng thực tế.
Hiện nay, vật liệu silicon-cacbon và vật liệu silicon-oxy là hai lộ trình kỹ thuật chính cho điện cực âm gốc silicon.
Trong số đó, vật liệu điện cực âm silicon-carbon được biết đến với hiệu suất coulomb đầu tiên cao, nhưng tuổi thọ chu kỳ của chúng cần được cải thiện. Bằng cách hiện thực hóa kích thước nano của vật liệu silicon, các vấn đề giãn nở và gãy vỡ phát sinh trong quá trình sạc và xả có thể được giảm bớt, do đó nâng cao hơn nữa tuổi thọ chu kỳ của chúng. Tương đối mà nói, ưu điểm chính của vật liệu điện cực âm silicon-oxy là độ ổn định chu kỳ tuyệt vời của chúng, mặc dù hiệu suất đầu tiên thấp. Tuy nhiên, bằng cách áp dụng các biện pháp kỹ thuật như tiền thạch hóa, hiệu suất đầu tiên của chúng có thể được cải thiện hiệu quả.
Về mặt ứng dụng thương mại, hiện nay, các ứng dụng thương mại chính của vật liệu điện cực âm gốc silicon bao gồm oxit silicon phủ carbon, nano silicon carbon, nano dây silicon và hợp kim silicon vô định hình. Trong số đó, oxit silicon phủ carbon và nano silicon carbon có mức độ thương mại hóa cao nhất và chúng thường được trộn với than chì theo tỷ lệ 5%-10%. Trong những năm gần đây, vật liệu điện cực âm gốc silicon đang dần được công nghiệp hóa.
Trong lĩnh vực pin thể rắn, vật liệu điện cực âm gốc silicon được coi là một trong những hướng phát triển quan trọng của vật liệu điện cực âm pin thể rắn do mật độ năng lượng lý thuyết cao, hiệu suất sạc và xả nhanh tuyệt vời cũng như hiệu suất an toàn tuyệt vời.