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FRITSCH飛馳球磨 | 一種定制高性能電池硅負極材料的新方案

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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。

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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,生產新一代高容量硅基鋰離子電池。

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 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加強型行星式球磨機PULVERISETTE 7加強型

研磨細度:納米級

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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對角方向上的樣品,從而實現(xiàn)樣品的粉碎。

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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)



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 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。

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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)能夠產生較低的能量,而高轉速(900rpm)會產生更高的能量,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,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,該參數的控制需要滿足一定的平衡。

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通過球磨,實現(xiàn)了對顆粒孔隙度和比表面積的控制,如上圖中的Brunauer-Emmet-Teller(BET)測量值所示。
未加工硅粉的比表面積測量值約為194.6m2g-1(黑色方塊所示);
在500rpm間斷研磨處理后,得到橢圓狀(綠色三角形所示,BET=10.2m2 g-1)顆粒,在連續(xù)未間斷的研磨后,得到直邊狀(藍色菱形所示,BET=10.5m2 g-1)顆粒;
在900rpm研磨后,得到棱角分明的直邊狀(紅色圓形所示)顆粒,比表面積為10.8m2 g-1。

綜上所述,球磨方法在調控硅負極材料的粒徑、形態(tài)與BET比表面積方面的效果得到了證實。通過實驗可以得知,設置較低的球磨轉速能夠使顆粒球化,這對于電池的倍率性能是有益的。另外,通過進一步降低BET表面積,還可以提高硅基負極電池的First庫侖效率與循環(huán)壽命。

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 FRITSCH行星式球磨機加強型 

  應用優(yōu)勢  

FRITSCH行星式球磨機加強型不僅可以處理電池材料,也可用于陶瓷復合材料、石墨烯、納米藥物、機械合金化等多種途徑,有著Ji高的性能、易用性和安全性。
產品具備超高轉速,通過研磨球在旋轉的研磨罐內產生的高能沖擊力,可實現(xiàn)硬性、中等硬度、柔軟、脆性和濕性樣品的超細濕磨和干磨。

在惰氣環(huán)境中研磨

加強型產品的充氣蓋配件可以為研磨體系提供一個穩(wěn)定的惰性氣體環(huán)境,為機械合金化以及高活性樣品的研磨提供氣氛保護。

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Easy GTM

通過連續(xù)測量研磨罐內的氣體壓力和溫度,輕松安全地監(jiān)測和分析熱效應、物理和化學反應或壓力變動。球磨機自動控制測量,以確保不超過設定的參數。

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簡易定位,安全鎖緊
PULVERISETTE 5加強型—ServoLOCK
PULVERISETTE 7加強型—SelfLOCK

研磨罐安全嵌入,簡化實驗操作,并使實驗人員與儀器都獲得了最佳的保護。

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可調節(jié)觸摸屏

僅需單手操作便可輕松完成所有設定??稍谟|摸屏上輸入所需的轉速和研磨時間,通過分秒計時器設定間隔時間和暫停時間,可存儲10個運行程序。

RFID智能檢測

RFID芯片中保存有研磨罐的準確參數信息,當研磨罐嵌入到球磨機內,控制系統(tǒng)會檢測該Zhi定的研磨罐,預防不合理的研磨設置、避免誤操作。


發(fā)布時間

2024-03-11

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