Verbesserung der Effizienz von Lithium

Entsprechend den globalen Umwelttendenzen drängt die EU die Industrie nachdrücklich dazu, umweltfreundlicher zu werden. Jeder versteht, dass der Klimawandel da ist und hauptsächlich durch CO2-Emissionen verursacht wird, wobei der Verkehrssektor für 26 % aller Treibhausgasemissionen verantwortlich ist und 77 % davon durch den Straßenverkehr verursacht werden.

Aufgrund dieser Faktoren hat der Automobilsektor seinen Schwerpunkt auf Elektrofahrzeuge (EVs) verlagert. Allerdings mangelt es an Verkäufen, weil die Verbraucher befürchten, dass sie nicht über genügend Reichweite verfügen, um ihren Bedarf zu decken, da derzeit verwendete Materialien in Lithium-Ionen-Batterien (LIB) verwendet werden, die die Energiequelle von Elektrofahrzeugen darstellen auf ihrem Maximalniveau.

Außerdem verursacht die steigende Nachfrage nach Elektrofahrzeugen bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien viele CO2-Emissionen. Dies kann gemildert werden, wenn die Gesamtkapazität und Lebensdauer der Batterie erhöht wird.

Die Leistung einer LIB hängt in erster Linie vom Material der Anode der Batterie ab. Derzeit ist Graphit das beliebteste kommerzielle Anodenmaterial. Die relativ geringe Kapazität des Materials schränkt jedoch seine Weiterentwicklung ein. Anodenmaterialien auf Siliziumbasis (Si) sind aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte ein beliebter Kandidat für die Produktion von Lithium-Ionen-Batterien der nächsten Generation.

Silizium ist eine Alternative zu Graphit als Anodenmaterial für die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien. Seine theoretische spezifische Kapazität beträgt 4.212 mAh/g, während die theoretische spezifische Kapazität für Graphit 372 mAh/g beträgt.

Allerdings nimmt die hohe Anfangskapazität von Verbundwerkstoffen auf Basis von Nanosilizium mit der Zyklisierung rasch ab, was mit einer Volumenzunahme um das Drei- bis Fünffache während der Lithiierung-Delithiierung von Silizium einhergeht. Eine solche Schwellung führt zur Rissbildung des Anodenmaterials und zur Unterbrechung des Kontakts mit dem Stromkollektor.

Forscher aus verschiedenen Ländern haben viele Möglichkeiten vorgeschlagen, die Effizienz von Anoden auf Basis von Nanosilizium zu verbessern.

Die Mechanismen des LIB-Abbaus sind komplex und hängen von mehreren Faktoren ab. Der wichtigste Faktor ist die Agglomeration von Silizium-Nanopartikeln und deren Volumenänderungen, was zu einem Kontaktverlust zwischen Silizium-Nanopartikeln und Kohlenstoffmaterial führt, was zu einem Abbau des LIB während des Zyklus führt.

Das folgende Bild zeigt, wie Silizium im Kohlenstoffmaterial ungleichmäßig verteilt ist und bis zu 300 nm große Agglomerate bildet.

Unser Team schlug eine originelle Methode zur Synthese von Silizium-Kohlenstoff-Nanokompositen durch Mikrowellen-(MW)-Peeling vor.

Entwicklung einer Technologie zur Mikrowellensynthese von Silizium-Kohlenstoff-Nanokompositen und technologischer Ausrüstung für deren Umsetzung

Durch die Auswahl eines Vorläufers, der Betriebsparameter der MW-Strahlung, der Zusammensetzung und des Drucks des Argon-Monosilan-Gasgemisches war es möglich, Silizium-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe zu synthetisieren mit:

Vorteile Fazit

Die Vorteile der MW-Methode für die Synthese von Silizium-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen (n-Si@MLG) sind folgende:

2. Die Möglichkeit, Verbundwerkstoffe zu erhalten, die n-Si in einem breiten Konzentrationsbereich (von 5–80 %) enthalten. Dadurch ist es möglich, Anodenmaterialien für LIB mit gewünschten Eigenschaften zu synthetisieren; und3. Die MW-Synthese von Silizium-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen erfolgt einstufig und weist eine hohe Geschwindigkeit bei einer 100-prozentigen Ausbeute des Zielprodukts auf.

Dies wird die Technologie zur Gewinnung von n-Si@MLG einer bestimmten Zusammensetzung für die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien erheblich vereinfachen und die Produktivität durch die Schaffung einer Produktionslinie steigern.

Durch Mikrowellen-Peeling von C2F∙xR in einer Monosilan-Atmosphäre (SiH4) konnten Strukturen aus MLG mit einer gleichmäßigen Verteilung von Silizium-Nanopartikeln einer bestimmten Größe im Zwischenschichtraum von Graphen erhalten werden.

Die Vorteile der Verwendung des Adianano-Produkts in LIBs

Diese oben genannten Vorteile gewährleisten die Stabilität des Verbundwerkstoffs gegen Rissbildung, wenn sich das Siliziumvolumen während des Zyklus ändert (Trampolin), und dementsprechend die Langzeitstabilität des LIB-Betriebs.

Es wurde eine neue Technologie zur Mikrowellensynthese von Silizium-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen für LIB entwickelt. Eine Besonderheit ist ein einstufiger Prozess, bei dem die Ablösung des Vorläufers (Graphitdifluorid) unter Einwirkung von MW-Strahlung zur Zersetzung von Monosilan und zur Bildung von Silizium-Nanopartikeln auf den Graphenschichten führt.

Ein wichtiges Ergebnis der Forschung ist die Möglichkeit, die Eigenschaften des Zielprodukts zu steuern: den Massengehalt an Silizium im Verbundwerkstoff, die Größe der Silizium-Nanopartikel, ihre Phasenzusammensetzung und die Verteilung im Zwischenschichtraum von mehrschichtigem Graphen.

Die Hauptparameter des Prozesses – die Art des Interkalats, der Druck des Monosilan enthaltenden Gasgemisches sowie die Leistung und Zeit der Einwirkung von MW-Strahlung – werden auf der Grundlage der erforderlichen Eigenschaften des Zielprodukts ausgewählt.

Die vorgeschlagene Methode zur Synthese von Silizium-Kohlenstoff-Nanokompositen liefert eine 100-prozentige Ausbeute des Zielprodukts, erfordert keine komplexe Ausrüstung und hochqualifiziertes Personal und kann skaliert und in der industriellen Produktion eingesetzt werden.

Bitte beachten Sie, dass dieser Artikel auch in der vierzehnten Ausgabe unserer vierteljährlichen Publikation erscheinen wird.

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