リチウムの効率向上

世界的な環境傾向に従って、EU は産業のグリーン化を強く推進しています。 気候変動がここに存在し、主に CO2 排出によって引き起こされていることは誰もが理解しています。運輸部門は全温室効果ガス排出量の 26% を占め、そのうちの 77% は道路交通によって発生しています。

これらの要因により、自動車分野は電気自動車（EV）に焦点を移しています。 しかし、EVの動力源であるリチウムイオン電池（LIB）の内部材料は現在使用されているため、航続距離が足りずニーズを満たすことができないなどの消費者の懸念から販売が伸び悩んでいる。最大レベルで。

また、EVの需要の増加により、リチウムイオン電池の生産時に大量のCO2が排出されます。 バッテリーの総容量と寿命が長くなれば、この問題を軽減できます。

LIB の性能は主にバッテリーのアノードの材質に依存します。 現在、グラファイトは最も人気のある市販の陽極材料です。 しかし、この材料の容量は比較的低いため、さらなる開発は制限されています。 シリコン (Si) ベースのアノード材料は、出力密度が高いため、次世代リチウムイオン電池製造の人気のある候補です。

シリコンは、リチウムイオン電池製造用の負極材料としてグラファイトの代替品です。 理論比容量は 4,212 mAh/g ですが、グラファイトの理論比容量は 372 mAh/g です。

ただし、ナノシリコンをベースとした複合材料の高い初期容量は、サイクルとともに急速に減少します。これは、シリコンのリチウム化 - 脱リチウム化中にその体積が最大 3 ～ 5 倍増加することに関連しています。 このような膨潤は、アノード材料の亀裂や集電体との接触の破壊につながる。

さまざまな国の研究者が、ナノシリコンをベースにしたアノードの効率を向上させる多くの方法を提案してきました。

LIB の劣化メカニズムは複雑で、いくつかの要因に依存します。その主な要因は、シリコン ナノ粒子の凝集とその体積変化であり、これによりシリコン ナノ粒子とカーボン材料の間の接触が失われ、サイクリング中の LIB の劣化につながります。

次の画像は、シリコンが炭素材料内にどのように不均一に分布し、最大 300 nm のサイズの凝集体を形成するかを示しています。

私たちのチームは、マイクロ波 (MW) 剥離によるシリコン - カーボン ナノ複合材料の合成のための独自の方法を提案しました。

シリコン・カーボンナノ複合材料のマイクロ波合成技術とその実現のための技術装置の開発

前駆体、MW 放射線の操作パラメータ、組成、アルゴンとモノシランのガス混合物の圧力を選択することにより、以下の条件を備えたシリコン - 炭素複合材料を合成することが可能になりました。

利点の結論

シリコン炭素 (n-Si@MLG) 複合材料の合成における MW 法の利点は次のとおりです。

2. 広範囲の濃度 (5 ～ 80%) で n-Si を含む複合材料を得る可能性。 これにより、所望の特性を備えた LIB 用のアノード材料を合成することが可能になります。 そして3. シリコン - カーボン複合材料の MW 合成は 1 段階で実行され、高速で目的生成物の収率 100% が得られます。

これにより、リチウムイオン電池製造用に所定の組成のn-Si@MLGを得る技術が大幅に簡素化され、生産ラインの構築による生産性の向上が期待できます。

モノシラン (SiH4) 雰囲気中での C2F・xR のマイクロ波剥離により、グラフェンの層間空間に所定のサイズのシリコン ナノ粒子が均一に分布した構造を MLG から得ることができました。

LIB で Adianano 製品を使用する利点

これらの前述の利点により、サイクリング (トランポリン) 中にシリコンの体積が変化するときの亀裂に対する複合材料の安定性が保証され、したがって LIB 動作の長期安定性が保証されます。

LIB用シリコン・カーボン複合材料のマイクロ波合成技術が開発された。 独特の特徴は、MW 放射線の作用下での前駆体 (二フッ化グラファイト) の剥離によりモノシランが分解され、グラフェン層上にシリコン ナノ粒子が形成される単一ステップのプロセスです。

研究の重要な成果は、ターゲット製品の特性、つまり複合材料中のシリコンの質量含有量、シリコンナノ粒子のサイズ、それらの相組成、多層グラフェンの層間空間の分布などを制御できることです。

プロセスの主なパラメーター (インターカレートの種類、モノシランを含むガス混合物の圧力、MW 放射線への曝露の出力と時間) は、対象製品の必要な特性に基づいて選択されます。

提案されたシリコン-カーボンナノ複合材料の合成方法は、目的生成物の収率が 100% であり、複雑な装置や高度な資格を持つスタッフを必要とせず、スケールアップして工業生産に使用することができます。

なお、この記事は季刊誌の第14版にも掲載される予定です。

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