Литий-кремниевый аккумулятор - Lithium–silicon battery

Литий-кремниевый аккумулятор это имя, используемое для подкласса литий-ионный аккумулятор технология, которая использует кремний -основан анод и литий ионы в качестве носителей заряда.[1] Материалы на основе кремния обычно имеют гораздо большую удельную емкость, например 3600 мАч / г для чистого кремния. [2], относительно графита, максимальная теоретическая емкость которого ограничена 372 мАч / г для полностью литированного состояния LiC6 [3] Большое изменение объема кремния (примерно 400% в зависимости от кристаллографической плотности) при введении лития является одним из основных препятствий наряду с высокой реакционной способностью в заряженном состоянии для коммерциализация этот тип анода.[4] Аноды коммерческих батарей могут содержать небольшое количество кремния, что немного увеличивает их производительность. Эти количества строго хранятся в коммерческой тайне и по состоянию на 2018 год не превышают 10% анода. Литий-кремниевые батареи также включают конфигурации элементов, в которых Si содержится в таких соединениях, как оксикарбид кремния, кремниевые нанопроволоки или нитрид кремния [5].

История

Первые лабораторные эксперименты с литий-кремниевыми материалами состоялись в начале-середине 1970-х годов.[6]

Композитные кремний-графитовые электроды

Композитные кремний-углеродные аноды были впервые описаны в 2002 году Йошио.[7] Исследования этих композиционных материалов показали, что емкости представляют собой средневзвешенные значения двух концевых элементов (графита и кремния). При циклическом изменении происходит электронная изоляция частиц кремния, при этом емкость падает до емкости графитового компонента. Этот эффект был смягчен с использованием альтернативных синтетических методологий или морфологий, которые могут быть созданы, чтобы помочь поддерживать контакт с текущим коллектором. Это было выявлено в исследованиях с участием выращенных кремниевых нанопроволок, которые химически связаны с металлическим токосъемником за счет образования сплава. Образцы производства аккумуляторов с использованием композитного электрода из кремния NW-графита были произведены компанией Amprius в 2014 году.[8] Эта же компания утверждает, что по состоянию на 2014 год продала несколько сотен тысяч таких батарей.[9] В 2016 г. Стэндфордский Университет Исследователи представили метод инкапсуляции микрочастиц кремния в графеновую оболочку, которая ограничивает раздробленные частицы и также действует как стабильный межфазный слой твердого электролита. Эти микрочастицы достигли плотности энергии 3300 мАч / г.[10]

В 2015 г. Тесла основатель Илон Маск утверждал, что кремний в Модель S Аккумуляторы увеличили запас хода автомобиля на 6%.[11]

По состоянию на 2018 год продукты стартапов Sila Nanotechnologies, Global Graphene Group, Enovix, Enevate и других проходили испытания производителями аккумуляторов, автомобильными компаниями и производителями бытовой электроники. Среди клиентов Sila BMW и Amperex Technology, поставщик аккумуляторов для компаний, включая яблоко и Samsung. BMW планирует внедрить технологию Sila к 2023 году и увеличить емкость аккумуляторной батареи на 10-15%.[12]

Удельная емкость

Удельная емкость и изменение объема для некоторых анодных материалов (даны в их литированном состоянии).[4][13][14]
Материал анодаУдельная емкость (мАч / г)Изменение объема
Ли3862[требуется проверка ]-
LiC
6		372 [3]10%
Ли
13Sn
5		990252%
Ли
9Al
4		2235604%
Ли
15Si
4		3600320%

Анод из кристаллического кремния имеет теоретическую удельную емкость 3600 мАч / г, что примерно в десять раз больше, чем у обычно используемых графит аноды (ограничено 372 мАч / г).[3] Каждый атом кремния может связывать до 3,75 атомов лития в полностью литиированном состоянии (Ли
3.75Si), по сравнению с одним атомом лития на 6 атомов углерода для полностью литированного графита (LiC
6).[15][16]

Набухание кремния

Расстояние между атомами кремния в решетке увеличивается по мере того, как в нем размещаются ионы лития (литиация), достигая 320% от первоначального объема.[4] Расширение вызывает большие анизотропные напряжения в материале электрода, разрушение и крошку кремниевого материала и отслоение от токосъемника.[17] Прототипные литий-кремниевые батареи теряют большую часть своей емкости всего за 10 циклов заряда-разряда.[6][18] Решение проблем емкости и стабильности, вызванных значительным увеличением объема при литировании, имеет решающее значение для успеха кремниевых анодов.

Поскольку свойства объемного расширения и сжатия наночастиц сильно отличаются от объемных, кремний наноструктуры были исследованы как потенциальное решение. Хотя они имеют более высокий процент поверхностных атомов, чем объемные частицы кремния, повышенную реакционную способность можно контролировать с помощью оболочки, покрытий или других методов, ограничивающих контакт поверхности с электролитом. Один метод, идентифицированный исследователями, использовал кремниевые нанопроволоки на проводящей подложке для анода, и обнаружил, что морфология нанопроволоки создает пути постоянного тока, чтобы помочь увеличить удельная мощность и уменьшает прерывание из-за изменения громкости.[19] Однако большое изменение объема нанопроволок все еще может создавать проблему выцветания.

Другие исследования изучали потенциал наночастиц кремния. Аноды, в которых используются кремниевые наночастицы, могут преодолеть ценовые и масштабные барьеры, присущие батареям с нанопроволокой, при этом обеспечивая большую механическую стабильность по сравнению с другими кремниевыми электродами.[20] Обычно в эти аноды добавляют углерод в качестве проводящей добавки и связующего для повышения механической стабильности. Однако такая геометрия не решает полностью проблему расширения большого объема при литировании, подвергая батарею повышенному риску потери емкости из-за недоступных наночастиц после вызванного циклом растрескивания и напряжения.

Другой подход к наночастицам - использовать проводящие полимеры матрица в качестве связующего и полимерного электролита для аккумуляторов на основе наночастиц. В одном исследовании изучали трехмерный проводящий полимер и гидрогель сеть, чтобы заключить и позволить ионный транспорт к электрохимически активным наночастицам кремния.[21] Каркас привел к заметному повышению стабильности электрода, сохраняя более 90% емкости после 5000 циклов. Другие методы достижения аналогичных результатов включают использование методов нанесения покрытия из суспензии, которые соответствуют применяемым в настоящее время методологиям создания электродов.[22]

В недавнем исследовании Zhang и др. Используются двумерные ковалентно связанные гибриды кремний-углерод для уменьшения изменения объема и стабилизации емкости. [23]

Заряженный кремний Реакционная способность

Помимо хорошо известных проблем, связанных с расширением большого объема, например растрескивания слоя SEI, вторая хорошо известная проблема связана с реакционной способностью заряженных материалов. Поскольку заряженный кремний - это литий силицид, его солеподобная структура построена из комбинации кремния (-4) Zintl анионы и катионы лития. Эти силицидные анионы сильно восстановлены и демонстрируют высокую реакционную способность с компонентами электролита, которая локально компенсируется зарядом за счет восстановления растворителей.[24][25] Недавняя работа Хана и др. Определила метод синтеза покрытий на месте, который устраняет окислительно-восстановительную активность поверхности и ограничивает реакции, которые могут иметь место с растворителями. Хотя это не влияет на проблемы, связанные с увеличением объема, было замечено, что покрытия на основе катиона Mg значительно увеличивают срок службы и емкость.[26] аналогично пленкообразующей добавке фторэтиленкарбонат (FEC).[27]

Межфазный слой твердого электролита

Формирование слоя SEI на кремнии. Слева зеленым цветом обозначена нормальная работа батареи, синим цветом - образование слоя SEI. Электролит разлагается при восстановлении.

Другой проблемой является дестабилизация межфазного слоя твердого электролита (SEI), состоящего из разложившегося материала электролита.[28]

Слой SEI обычно образует ионопроводящий слой, который сольватирован электролит, что препятствует дальнейшему росту. Однако из-за набухания кремния слой SEI трескается и становится пористым.[29] Таким образом, он может загустеть. Толстый слой SEI приводит к более высокому сопротивлению ячейки, что снижает ее эффективность.[30][31]

Слой SEI на кремнии состоит из восстановленного электролита и лития.[30] При рабочем напряжении аккумулятора электролит нестабилен и разлагается.[28] Расход лития на формирование слоя SEI дополнительно снижает емкость аккумулятора.[31] Поэтому ограничение роста слоя SEI имеет решающее значение для коммерческих литий-кремниевых батарей.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Назри, Голам-Аббас; Пистойя, Джанфранко, ред. (2004). Литиевые батареи - наука и технологии. Kluwer Academic Publishers. п.259. ISBN  978-1-4020-7628-2.
  2. ^ Цзо, Сюся; Чжу, Цзинь; Мюллер-Бушбаум, Питер; Ченг, Я Чин (2017). «Аноды литий-ионных аккумуляторов на основе кремния: хроникальный перспективный обзор». Нано Энергия. 31 (1): 113–143. Дои:10.1016 / j.nanoen.2016.11.013.
  3. ^ а б c Шао, Гаофэн и др. Полимерный SiOC, интегрированный с графеновым аэрогелем в качестве высокостабильных анодов литий-ионных аккумуляторов ACS Appl. Mater. Интерфейсы 2020, 12, 41, 46045–46056
  4. ^ а б c Мухопадхьяй, Амартия; Шелдон, Брайан В. (2014). «Деформации и напряжения в материалах электродов для литий-ионных аккумуляторов». Прогресс в материаловедении. 63: 58–116. Дои:10.1016 / j.pmatsci.2014.02.001.
  5. ^ Электроды из нитрида кремния Журнал источников энергии
  6. ^ а б Лай, S (1976). «Твердые литий-кремниевые электроды». Журнал Электрохимического общества. 123 (8): 1196–1197. Bibcode:1976JELS..123.1196L. Дои:10.1149/1.2133033.
  7. ^ Йошио, Масаки; Ван, Хунъюй; Фукуду, Кендзи; Умено, Тацуо; Димов, Николай; Огуми, Дземпачи (2002). «Кремний с углеродным покрытием в качестве анодных материалов литий-ионных батарей». Журнал Электрохимического общества. 149 (12): A1598. Bibcode:2002JES ..... 115029L. Дои:10.1149/1.1518988. ISSN  0013-4651.
  8. ^ Сент-Джон, Джефф (2014-01-06). «Amprius получает надбавку на 30 миллионов долларов за кремниевые литий-ионные батареи». Greentechmedia. Получено 2015-07-21.
  9. ^ Буллис, Кевин (10 января 2014 г.). «Стартап получает 30 миллионов долларов, чтобы вывести на рынок высокоэнергетические кремниевые батареи». MIT Technology Review.
  10. ^ Ли, Юйчжан; Ян, Кай; Ли, Хён Ук; Лу, Женда; Лю, Нянь; Цуй, И (2016). «Рост конформных графеновых каркасов на частицах кремния микрометрового размера в качестве стабильных анодов батарей». Энергия природы. 1 (2): 15029. Bibcode:2016НатЭн ... 115029л. Дои:10.1038 / nenergy.2015.29. ISSN  2058-7546.
  11. ^ Рати, Акшат (2019-04-08). «Как мы доберемся до следующего большого прорыва в области аккумуляторов». Кварцевый. Получено 2019-08-18.
  12. ^ Весофф, Эрик (2019-04-17). «Daimler инвестирует 170 миллионов долларов в аккумуляторную технологию нового поколения от Sila Nano». Зеленые технологии СМИ. Получено 2019-08-18.
  13. ^ Besenhard, J .; Дэниел, С., ред. (2011). Справочник материалов для батарей. Wiley-VCH.
  14. ^ Назри, Голам-Аббас; Пистойя, Джанфранко, ред. (2004). Литиевые батареи - наука и технологии. Kluwer Academic Publishers. п.117. ISBN  978-1-4020-7628-2.
  15. ^ Tarascon, J.M .; Арманд, М. (2001). «Проблемы и проблемы, с которыми сталкиваются литиевые аккумуляторные батареи». Природа. 414 (6861): 359–67. Bibcode:2001Натура.414..359Т. Дои:10.1038/35104644. PMID  11713543.
  16. ^ Гальвес-Аранда, Диего Э .; Понсе, К. (2017). "Молекулярно-динамическое моделирование первого заряда литий-ионной нанобатареи с Si-анодом". Модель J Mol. 23 (120): 120. Дои:10.1007 / s00894-017-3283-2. OSTI  1430651. PMID  28303437.
  17. ^ Берла, Лукас А .; Ли, Сок У; Рю, Иллинойс; Цуй, Йи; Никс, Уильям Д. (2014). «Прочность аморфного кремния во время начального цикла литирования / делитирования». Журнал источников энергии. 258: 253–259. Bibcode:2014JPS ... 258..253B. Дои:10.1016 / j.jpowsour.2014.02.032.
  18. ^ Юнг, Х (2003). «Анод из аморфного кремния для литий-ионных аккумуляторных батарей». Журнал источников энергии. 115 (2): 346–351. Bibcode:2003JPS ... 115..346J. Дои:10.1016 / S0378-7753 (02) 00707-3.
  19. ^ Чан, Кэндис К .; Пэн, Хайлинь; Лю, Гао; Макилурат, Кевин; Чжан, Сяо Фэн; Хаггинс, Роберт А .; Цуй, И (январь 2008 г.). «Высокопроизводительные аноды литиевых батарей с использованием кремниевых нанопроволок». Природа Нанотехнологии. 3 (1): 31–35. Bibcode:2008НатНа ... 3 ... 31С. Дои:10.1038 / nnano.2007.411. PMID  18654447.
  20. ^ Ге, Минъюань; Ронг, Цзипэн; Фанг, Синь; Чжан, Аньи; Лу, Юньхао; Чжоу, Чунву (06.02.2013). «Масштабируемое получение наночастиц пористого кремния и их применение для анодов литий-ионных аккумуляторов». Нано исследования. 6 (3): 174–181. Дои:10.1007 / s12274-013-0293-у. ISSN  1998-0124.
  21. ^ Ву, Хуэй; Ю, Гуйхуа; Пан, Лицзя; Лю, Нянь; Макдауэлл, Мэтью Т .; Бао, Чжэнань; Цуй, И (04.06.2013). «Стабильные аноды литий-ионных аккумуляторов путем полимеризации на месте проводящего гидрогеля для конформного покрытия наночастиц кремния». Nature Communications. 4: 1943. Bibcode:2013 НатКо ... 4.1943 Вт. Дои:10.1038 / ncomms2941. ISSN  2041-1723. PMID  23733138.
  22. ^ Хиггинс, Томас М .; Пак, Санг-Хун; Кинг, Пол Дж .; Чжан, Чуаньфан (Джон); Макэвой, Найл; Бернер, Нина С .; Дэли, Дермот; Шмелев Алексей; Хан, Умар (22.03.2016). «Промышленный проводящий полимер в качестве связующего и проводящей добавки для отрицательных электродов литий-ионных аккумуляторов на основе кремниевых наночастиц». САУ Нано. 10 (3): 3702–3713. Дои:10.1021 / acsnano.6b00218. HDL:2262/77389. ISSN  1936-0851. PMID  26937766.
  23. ^ Чжан, Синхао; Ван, Дэнхуи; Цю, Xiongying; Ма, Инцзе; Конг, Дебин; Мюллен, Клаус; Ли, Сянглун; Чжи, Линьцзе (31.07.2020). «Стабильные аноды на кремниевой литиевой батарее с высокой емкостью и быстродействием после двумерной ковалентной инкапсуляции». Nature Communications. 11 (1): 3826. Дои:10.1038 / s41467-020-17686-4. ISSN  2041-1723. ЧВК  7395733. PMID  32737306.
  24. ^ Хан, Бинхонг; Пьернас Муньос, Мария; Доган, Фуля; Кубал, Джозеф; Траск, Стивен Т .; Воги, Джон; Ки, Барис (2019-07-05). «Исследование реакции между PVDF и LiPAA по сравнению с Li7Si3: исследование стабильности связующего для кремниевых анодов». Журнал Электрохимического общества. 166 (12): A2396. Дои:10.1149 / 2.0241912jes.
  25. ^ Ки, Барис; Бхаттачарья, Рангет; Morcrette, M; Сезнец, В; Тараскон, Жан Мари; Грей, Клэр (2009-03-19). "Исследования структурных изменений кремниевых электродов для литий-ионных аккумуляторов методом ЯМР в реальном времени". Журнал Американского химического общества. 131 (26): 9239–49. Дои:10.1021 / ja8086278. PMID  19298062.
  26. ^ Хан, Бинхонг; Ляо, Чен; Доган, Фуля; Траск, Стивен; Лапид, Савл; Воги, Джон; Ки, Барис (2019-08-05). «Использование смешанных солевых электролитов для стабилизации кремниевых анодов для литий-ионных аккумуляторов посредством образования на месте тройных элементов Li – M – Si (M = Mg, Zn, Al, Ca)». Прикладные материалы и интерфейсы ACS. 11 (33): 29780–29790. Дои:10.1021 / acsami.9b07270. PMID  31318201.
  27. ^ Шредер, К; Альварадо, Юдифь; Yersak, T.A .; Ли, Дж; Дадни, Нэнси; Webb, L.J .; Мэн, Ю.; Стивенсон, К.Дж. (2013-08-16). «Влияние фторэтиленкарбоната в качестве добавки на межфазную фазу твердого электролита (SEI) на кремниевых литий-ионных электродах». Химия материалов. 27: 5531–5542. Дои:10.1021 / acs.chemmater.5b01627.
  28. ^ а б Чан, Кэндис К .; Руффо, Риккардо; Хонг, Сын Сэ; Цуй, И (2009). "Химия поверхности и морфология межфазной границы твердого электролита на анодах литий-ионных аккумуляторов с кремниевой нанопроволокой". Журнал источников энергии. 189 (2): 1132–1140. Bibcode:2009JPS ... 189.1132C. Дои:10.1016 / j.jpowsour.2009.01.007. ISSN  0378-7753.
  29. ^ Фонг, Розамария (1990). «Исследования интеркаляции лития в углерод с использованием неводных электрохимических ячеек». Журнал Электрохимического общества. 137 (7): 2009. Дои:10.1149/1.2086855. ISSN  0013-4651.
  30. ^ а б Руффо, Риккардо; Хонг, Сын Сае; Чан, Кэндис К .; Хаггинс, Роберт А .; Цуй, И (2009). "Анализ импеданса кремниевых нанопроволок литий-ионных анодов батарей". Журнал физической химии C. 113 (26): 11390–11398. CiteSeerX  10.1.1.465.1617. Дои:10.1021 / jp901594g. ISSN  1932-7447.
  31. ^ а б Oumellal, Y .; Delpuech, N .; Mazouzi, D .; Dupré, N .; Gaubicher, J .; Moreau, P .; Soudan, P .; Lestriez, B .; Гайомар, Д. (2011). «Механизм выхода из строя отрицательных электродов на основе наноразмерного кремния для литий-ионных аккумуляторов». Журнал химии материалов. 21 (17): 6201. Дои:10.1039 / c1jm10213c. ISSN  0959-9428.