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當前位置:首頁  >  技術文章  >  FRITSCH飛馳球磨 | 一種定制高性能電池硅負極材料的新方案

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:118


以硅(Si)作為鋰離子電池中的負極組件,具備明顯的性能優勢。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,制定出了用于調節硅顆粒幾何形狀的方案,從而為鋰離子電池提供高容量、穩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。

 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,實現了對顆??紫抖群捅缺砻娣e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庫侖效率與循環壽命。

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 FRITSCH行星式球磨機加強型 

  應用優勢  

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定的惰性氣體環境,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

通過連續測量研磨罐內的氣體壓力和溫度,輕松安全地監測和分析熱效應、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。


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聯系人:楊經理

郵箱:bill_lee@fritsch.cn

地址:北京市朝陽區裕民路12號E1座一層108室

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