FRITSCH飛馳球磨 | 一種定制高性能電池硅負極材料的新方案

更新時間：2024-03-11 閱讀次數(shù)：1691

以硅（Si）作為鋰離子電池中的負極組件，具備明顯的性能優(yōu)勢。與當前主要的石墨負極材料相比，硅基負極理論比容量高，高達4200mAh/g，是石墨負極的10倍左右；另外，硅基負極安全性能更佳，其具有較低的脫嵌鋰電位，在充電時可避免表面的析鋰現(xiàn)象，能夠減小電池短路帶來的風險。

硅基鋰離子電池充電、放電原理圖

通過使用FRITSCH飛馳球磨設備，能夠實現(xiàn)通過各種硅顆粒的幾何形狀快速成型，生產(chǎn)新一代高容量硅基鋰離子電池。

實驗設備與方案

1、實驗設備：

本實驗使用了FRITSCH行星式球磨機PULVERISETTE 5加強型與行星式球磨機PULVERISETTE 7加強型。

研磨細度：納米級

2、工作原理：

FRITSCH行星式球磨機主要通過研磨球的高能量撞擊進行粉碎。

在實驗過程中，研磨罐中裝有樣品與研磨球，并在與其旋轉方向相反的主盤上沿著自身軸進行旋轉，疊加的離心力使樣品和研磨球在研磨罐內壁反彈，在此狀態(tài)下，研磨球將以Ji高的速度砸向研磨罐壁內對角方向上的樣品，從而實現(xiàn)樣品的粉碎。

實驗室通過控制轉速、研磨球的材料/尺寸、研磨罐的材料/尺寸以及工藝的時間配置，制定出了用于調節(jié)硅顆粒幾何形狀的方案，從而為鋰離子電池提供高容量、穩(wěn)定性長周期壽命的硅基負極材料。

3、實驗方案：

配置/方案	方案一	方案二
研磨球	3-20mm ZrO2研磨球
研磨罐	ZrO2（內襯）不銹鋼研磨罐
分散劑	干法（氬氣）
轉速	900rpm	500rpm
研磨時間	1h	3h （每1h休息一次）

實驗結果與分析

① 球磨條件對輸入總能量的影響

傳統(tǒng)意義上，球磨工藝通常用于減少顆粒的尺寸，但是在本次實驗中，能夠利用球磨過程中的冷焊現(xiàn)象，來增加硅粉顆粒的尺寸。

在實驗的最初階段，硅粉中主要顆粒的直徑在10-100nm之間，如圖A所示；

在900rpm的轉速下研磨1h，能夠得到微米級、棱角分明的直邊狀顆粒，如圖B所示；

采用較低轉速（500rpm）并將累計研磨時間增加至3h，通過進一步利用冷焊現(xiàn)象，不僅可以增加顆粒尺寸，而且可以改變顆粒形狀，圖C所示即為利用冷焊現(xiàn)象得到的更大尺寸的微米級橢圓狀顆粒。

因此，通過細致地調節(jié)轉速、累計研磨時間與休息時間，就可以控制顆粒的形狀、尺寸和孔隙度。

之所以能夠實現(xiàn)這樣的控制，是因為在球磨進行的過程中，不同球磨條件下的總能量輸入狀態(tài)存在差異。較低的轉速（500rpm）能夠產(chǎn)生較低的能量，而高轉速（900rpm）會產(chǎn)生更高的能量，因此，設置較高的轉速條件，會使粒徑較大的硅顆粒斷裂，因而形成直邊形態(tài)。

實驗結果與分析

② 球磨條件對顆粒比表面積的影響

對于鋰離子電池負極材料的優(yōu)化，負極表面積也是非常關鍵的參數(shù)，其能夠影響電池的容量與穩(wěn)定性。

理論上，高比表面積有益于電池電容的Zui大化，但是，低比表面積卻能夠使消耗鋰的固體電解質界面（SEI）層總體積最小化；因此，為了優(yōu)化負極材料的形狀和孔隙度，該參數(shù)的控制需要滿足一定的平衡。