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FRITSCH飛馳球磨 | 一種定制高性能電池硅負(fù)極材料的新方案

來源:飛馳(北京)科學(xué)儀器有限公司   2024年03月11日 16:10  


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

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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(shè)備,能夠?qū)崿F(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。

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 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方案 

1、實(shí)驗(yàn)設(shè)備:

本實(shí)驗(yàn)使用了FRITSCH行星式球磨機(jī)PULVERISETTE 5加強(qiáng)型行星式球磨機(jī)PULVERISETTE 7加強(qiáng)型

研磨細(xì)度:納米級

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2、工作原理:

FRITSCH行星式球磨機(jī)主要通過研磨球的高能量撞擊進(jìn)行粉碎。

在實(shí)驗(yàn)過程中,研磨罐中裝有樣品與研磨球,并在與其旋轉(zhuǎn)方向相反的主盤上沿著自身軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn),疊加的離心力使樣品和研磨球在研磨罐內(nèi)壁反彈,在此狀態(tài)下,研磨球?qū)⒁訨i高的速度砸向研磨罐壁內(nèi)對角方向上的樣品,從而實(shí)現(xiàn)樣品的粉碎。

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實(shí)驗(yàn)室通過控制轉(zhuǎn)速、研磨球的材料/尺寸、研磨罐的材料/尺寸以及工藝的時(shí)間配置,制定出了用于調(diào)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(fù)極材料。
3、實(shí)驗(yàn)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(nèi)襯)不銹鋼研磨罐
分散劑
干法(氬氣)
轉(zhuǎn)速
900rpm
500rpm
研磨時(shí)間
1h
3h
(每1h休息一次)



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 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速(500rpm)并將累計(jì)研磨時(shí)間增加至3h,通過進(jìn)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(xì)致地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、累計(jì)研磨時(shí)間與休息時(shí)間,就可以控制顆粒的形狀、尺寸和孔隙度

之所以能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的控制,是因?yàn)樵谇蚰ミM(jìn)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(zhuǎn)速(500rpm)能夠產(chǎn)生較低的能量,而高轉(zhuǎn)速(900rpm)會產(chǎn)生更高的能量,因此,設(shè)置較高的轉(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(fù)極材料的優(yōu)化,負(fù)極表面積也是非常關(guān)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(zhì)界面(SEI)層總體積最小化;因此,為了優(yōu)化負(fù)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。

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通過球磨,實(shí)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(lán)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(diào)控硅負(fù)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(shí)。通過實(shí)驗(yàn)可以得知,設(shè)置較低的球磨轉(zhuǎn)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(jìn)一步降低BET表面積,還可以提高硅基負(fù)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(jī)加強(qiáng)型 

  應(yīng)用優(yōu)勢  

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

在惰氣環(huán)境中研磨

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

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Easy GTM

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

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簡易定位,安全鎖緊
PULVERISETTE 5加強(qiáng)型—ServoLOCK
PULVERISETTE 7加強(qiáng)型—SelfLOCK

研磨罐安全嵌入,簡化實(shí)驗(yàn)操作,并使實(shí)驗(yàn)人員與儀器都獲得了最佳的保護(hù)。

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可調(diào)節(jié)觸摸屏

僅需單手操作便可輕松完成所有設(shè)定。可在觸摸屏上輸入所需的轉(zhuǎn)速和研磨時(shí)間,通過分秒計(jì)時(shí)器設(shè)定間隔時(shí)間和暫停時(shí)間,可存儲10個(gè)運(yùn)行程序。

RFID智能檢測

RFID芯片中保存有研磨罐的準(zhǔn)確參數(shù)信息,當(dāng)研磨罐嵌入到球磨機(jī)內(nèi),控制系統(tǒng)會檢測該Zhi定的研磨罐,預(yù)防不合理的研磨設(shè)置、避免誤操作。


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