[Phân tích SMM] Hiệu ứng thể tích nghiêm trọng của silicon trong quá trình lithi hóa là hạn chế lớn nhất đối với việc thương mại hóa các vật liệu dựa trên silicon

SMM, ngày 27 tháng 12:

Khi silicon được lithi hóa hoàn toàn, thể tích của nó tăng hơn 300%, và sự thay đổi thể tích đáng kể này mang lại một loạt vấn đề. 1) Hiệu ứng thể tích gây ra ứng suất nội cao trong pin, dễ dàng nén miếng cực, dẫn đến nứt và thậm chí làm vỡ vật liệu cực âm silicon. 2) Hiệu ứng giãn nở thể tích làm cho vật liệu điện cực dễ mất liên kết với bộ thu dòng, khiến vật liệu hoạt động tách khỏi miếng cực, dẫn đến sự suy giảm dung lượng nhanh chóng của pin. 3) Hiệu ứng giãn nở thể tích có xu hướng hình thành màng điện phân rắn không ổn định (SEI). Do sự thay đổi thể tích của silicon, màng SEI bị phá vỡ, làm lộ bề mặt silicon mới, tạo ra màng SEI mới, liên tục tiêu thụ ion lithium trong chất điện phân. Điều này dẫn đến mất dung lượng không thể phục hồi và hiệu suất sạc ban đầu thấp. Ngoài ra, độ dày của SEI tăng lên theo chu kỳ điện hóa, và lớp SEI quá dày cản trở sự truyền điện tử và khuếch tán ion Li+, làm tăng trở kháng.

Hơn nữa, khi hàm lượng silicon tăng, hiệu suất Coulombic ban đầu giảm. Mất chu kỳ không thể phục hồi ban đầu của vật liệu silicon có thể lên đến 30% (so với 5-10% đối với graphite). Các phản ứng phụ giữa dung môi chất điện phân và hóa chất lithium hình thành màng điện phân rắn (SEI) trên cực âm của pin lithium-ion, tiêu thụ lithium. Sự thay đổi thể tích ngăn cản SEI hình thành ổn định trên bề mặt điện cực Si, gây ra sự phá vỡ SEI lặp lại và tiêu thụ một lượng lớn ion Li+. Trong khi đó, độ dày của SEI tăng lên theo chu kỳ điện hóa, và lớp SEI quá dày cản trở sự truyền điện tử và khuếch tán ion Li+, làm tăng trở kháng và phân cực.

Giải pháp cho các vấn đề của cực âm dựa trên silicon:

(1) Cấu trúc nano

(2) Phủ lớp

Giảm kích thước hạt làm tăng năng lượng bề mặt, và năng lượng bề mặt của hạt nano tăng lên, làm giảm độ ổn định và khiến chất điện phân ưu tiên phân hủy (khử/oxy hóa) với các hạt nano.

(3) Giải pháp thỏa hiệp -- Cực âm silicon monoxide

(Nguồn hình ảnh: Internet)

Nhóm Nghiên cứu Năng lượng Mới 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