Các nhà nghiên cứu công bố quan điểm về cực dương vi hạt dựa trên silicon cho pin lithium-ion

Các nhà nghiên cứu công bố quan điểm về cực dương vi hạt dựa trên silicon cho pin lithium-ion

    Các nhà nghiên cứu công bố quan điểm về cực dương vi hạt dựa trên silicon cho pin lithium-ion

    Researchers publish perspective on silicon-based microparticle anodes for lithium-ion batteries

    Ứng dụng của vật liệu dựa trên silicon chi phí thấp trong pin lithium-ion thông qua thiết kế vật liệu điện cực, tối ưu hóa chất điện phân và đổi mới chất kết dính theo con đường đơn giản và thân thiện với môi trường. Ảnh: Năng lượng nghiên cứu Nano, Nhà xuất bản Đại học Thanh Hoa


    Silicon là một trong những vật liệu cực dương hứa hẹn nhất cho pin lithium-ion năng lượng cao. Tuy nhiên, cực dương dựa trên silicon vẫn chưa được sử dụng rộng rãi do một loạt thách thức phải được giải quyết trước khi silicon có thể được ứng dụng thương mại trong pin lithium-ion.

    Một nhóm nghiên cứu từ Đại học Khoa học và Công nghệ Huazhong đã xuất bản một bài báo đánh giá tóm tắt các thách thức, phác thảo các chiến lược hiện tại để chế tạo cực dương dựa trên silicon và xem xét triển vọng trong tương lai cho vật liệu cực dương đầy hứa hẹn này.

    Quan điểm đánh giá của họ được đăng trên tạp chí Nano Research Energy.

    "Trong bài đánh giá này, chúng tôi mong muốn cung cấp một số hướng dẫn có giá trị cho ứng dụng thực tế của cực dương dựa trên silicon ở quy mô siêu nhỏ bằng cách tóm tắt sự phát triển của các điện cực dựa trên silicon được chế tạo bởi các vi hạt silicon thương mại từ góc độ công nghiệp hóa, chẳng hạn như nguyên liệu thô, quy trình chuẩn bị, Xianluo Hu, giáo sư tại Trường Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu tại Đại học Khoa học và Công nghệ Huazhong cho biết.

    Mặc dù silicon có tiềm năng mạnh mẽ như một ứng cử viên cực dương cho pin lithium-ion thế hệ tiếp theo, nhưng vẫn có một số thách thức cần vượt qua. Đầu tiên, nhóm nghiên cứu lưu ý rằng công nghệ nano, cho phép ổn định cấu trúc điện cực và chu kỳ dài hạn, không đáp ứng được yêu cầu của các ứng dụng công nghiệp. Điều này là do mật độ vòi thấp, phản ứng phụ đáng kể, dung tích thể tích thấp và quy trình sản xuất phức tạp với năng suất thấp.

    Thứ hai, nhóm nghiên cứu lưu ý rằng mặc dù thiết kế của cực dương dựa trên silicon có kích thước siêu nhỏ đã cải thiện đáng kể hiệu suất tổng thể của điện cực, nhưng quy trình sản xuất vẫn bao gồm các bước chế tạo phức tạp. Những bước phức tạp này dẫn đến tiêu thụ năng lượng cao hơn, ô nhiễm môi trường và năng suất thấp.

    Ngoài ra, nhóm nghiên cứu cũng lưu ý rằng nhiều vật liệu silicon có kích thước siêu nhỏ vẫn sử dụng các hạt nano làm nguyên liệu thô. Những hạt nano này không thực tế cho sản xuất quy mô lớn. Vì vậy, các nhà khoa học tiếp tục tìm kiếm những cách đơn giản và thân thiện với môi trường để đạt được ứng dụng sản xuất vật liệu dựa trên silicon với chi phí thấp trong pin lithium-ion.

    Khi xem xét triển vọng thương mại hóa các cực dương dựa trên silicon trong tương lai, họ lưu ý rằng việc duy trì tính toàn vẹn của cấu trúc điện cực để đảm bảo hiệu suất chu kỳ ổn định có tầm quan trọng sống còn khi sử dụng các vật liệu dựa trên silicon cấp thấp làm nguồn silicon. Mặc dù sự kết hợp giữa các vi hạt silicon xốp và vật liệu tổng hợp lai đã được nghiên cứu rộng rãi, nhưng không có nhiều nghiên cứu được thực hiện liên quan đến phân tích cơ chế hỏng hóc của silicon kích thước siêu nhỏ được thiết kế.

    Nhóm nghiên cứu lưu ý rằng các vật liệu kết dính, giữ các hạt vật liệu hoạt động lại với nhau trong điện cực của pin, đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì tính toàn vẹn của cấu trúc. Họ khuyến nghị rằng việc phát triển một chất kết dính polyme đa chức năng với các đặc tính tự phục hồi và dẫn điện sẽ giúp cải thiện độ bền cơ học của các điện cực và xây dựng một mạng lưới dẫn điện mở rộng. Với những ưu điểm về cấu trúc cao, các polyme có nguồn gốc tự nhiên sẽ thành công hơn trong vai trò này.

    Hu cho biết: "Silicon có tiềm năng lớn như một vật liệu cực dương cho pin lithium-ion mật độ năng lượng cao. Việc chế tạo các điện cực vi hạt silicon có độ ổn định cao từ góc độ công nghệ đơn giản, có thể mở rộng, an toàn và bền vững là một thách thức và quan trọng".

    Nhìn về phía trước, nhóm nghiên cứu lưu ý rằng việc phân tích cơ chế hỏng hóc của silicon kích thước siêu nhỏ được thiết kế vẫn còn thiếu dựa trên các trường đa quy mô và đa vật lý. Các nhà khoa học cần phát triển các kỹ thuật phân tích tại chỗ để làm rõ mối quan hệ giữa chiến lược thiết kế và hiệu suất điện cực.

    Ví dụ, ảnh hưởng của sự phân bố lỗ rỗng đối với sự phân tán ứng suất, sự phát triển của cấu trúc hạt hoạt động và sự phụ thuộc của hóa học bề mặt và sự phân bố điện trường vào sự biến đổi carbon đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc. Họ đề xuất rằng việc phát triển công nghệ tổng hợp đơn giản, xanh, hiệu quả, có thể kiểm soát và tiết kiệm năng lượng là mấu chốt để đáp ứng các yêu cầu của sản xuất công nghiệp.

    Hu cho biết: "Chúng tôi hy vọng sẽ hiện thực hóa ứng dụng của vật liệu dựa trên silicon chi phí thấp trong toàn bộ tế bào thông qua thiết kế vật liệu điện cực, tối ưu hóa chất điện phân và đổi mới chất kết dính bằng con đường đơn giản và thân thiện với môi trường".

    Zalo
    Hotline