[Analisis SMM] Efek Volume Parah pada Silikon Selama Litiasi Adalah Batasan Terbesar untuk Komersialisasi Material Berbasis Silikon

SMM, 27 Desember:

Ketika silikon sepenuhnya dilitiasi, volumenya mengembang lebih dari 300%, dan perubahan volume yang signifikan ini membawa serangkaian masalah. 1) Efek volume menyebabkan stres internal tinggi pada baterai, yang dapat dengan mudah menekan potongan kutub, menyebabkan retakan dan bahkan penghancuran material anoda silikon. 2) Efek ekspansi volume membuat material elektroda rentan kehilangan kontak dengan kolektor arus, menyebabkan material aktif terlepas dari potongan kutub, yang mengakibatkan penurunan kapasitas baterai secara cepat. 3) Efek ekspansi volume cenderung membentuk lapisan solid electrolyte interphase (SEI) yang tidak stabil. Karena perubahan volume silikon, lapisan SEI pecah, mengekspos permukaan silikon baru yang menghasilkan lapisan SEI baru, terus-menerus mengonsumsi ion litium dalam elektrolit. Hal ini menyebabkan kehilangan kapasitas yang tidak dapat dipulihkan dan efisiensi pengisian awal yang rendah. Selain itu, ketebalan SEI meningkat dengan siklus elektrokimia, dan lapisan SEI yang terlalu tebal menghambat transfer elektron dan difusi ion Li+, meningkatkan impedansi.

Lebih lanjut, seiring meningkatnya kandungan silikon, efisiensi Coulombic awal menurun. Kehilangan siklus awal yang tidak dapat dipulihkan dari material silikon dapat mencapai hingga 30% (dibandingkan dengan 5-10% untuk grafit). Reaksi samping antara pelarut elektrolit dan bahan kimia litium membentuk lapisan solid electrolyte interphase (SEI) pada anoda baterai ion litium, mengonsumsi litium. Perubahan volume mencegah SEI terbentuk secara stabil pada permukaan elektroda Si, menyebabkan pecahnya SEI berulang kali dan mengonsumsi sejumlah besar ion Li+. Sementara itu, ketebalan SEI meningkat dengan siklus elektrokimia, dan lapisan SEI yang terlalu tebal menghambat transfer elektron dan difusi ion Li+, meningkatkan impedansi dan polarisasi.

Solusi untuk masalah anoda berbasis silikon:

(1) Nanostrukturisasi

(2) Pelapisan

Mengurangi ukuran partikel meningkatkan energi permukaan, dan energi permukaan nanopartikel meningkat, melemahkan stabilitas dan menyebabkan elektrolit lebih mudah terurai (reduksi/oksidasi) dengan nanopartikel.

(3) Solusi kompromi -- Anoda silikon monoksida

(Sumber gambar: Internet)

Tim Penelitian Energi Baru SMM

Cong Wang 021-51666838

Xiaodan Yu 021-20707870

Rui Ma 021-51595780

Ying Xu 021-51666707

Disheng Feng 021-51666714

Yujun Liu 021-20707895

Yanlin Lü 021-20707875

Zhicheng Zhou 021-51666711

Haohan Zhang 021-51666752

Zihan Wang 021-51666914

Xiaoxuan Ren 021-20707866

Yushuo Liang 021-20707892

Jie Wang 021-51595902

Yang Xu 021-51666760

Mengqi Xu 021-20707868