Стабільні кремнієві електроди з полівініліденфторид-зв’язуючим для літій-іонних акумуляторів
Replacing intercalated graphite in traditional lithium-ion batteries with conversion silicon anode material gives an advantage in increasing specific energy at a lower price. A significant drawback of silicon is its very large swelling when saturated with lithium, with the growth of mechanical loads...
Gespeichert in:
| Datum: | 2020 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainisch |
| Veröffentlicht: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2020
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/532 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
Institution
Chemistry, Physics and Technology of Surface| _version_ | 1856543916836257792 |
|---|---|
| author | Kuksenko, S. P. Tarasenko, Yu. O. Kaleniuk, H. O. Кartel, M. T. |
| author_facet | Kuksenko, S. P. Tarasenko, Yu. O. Kaleniuk, H. O. Кartel, M. T. |
| author_sort | Kuksenko, S. P. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2022-06-29T10:02:41Z |
| description | Replacing intercalated graphite in traditional lithium-ion batteries with conversion silicon anode material gives an advantage in increasing specific energy at a lower price. A significant drawback of silicon is its very large swelling when saturated with lithium, with the growth of mechanical loads in the bulk of the electrode layer. Direct use of silicon, even nanoscale, is impossible without modifying the interface of the "silicon | electrolyte". A stable cycling is shown of silicon electrodes based on the nanocomposite Si@SiOC&C (0D ? micro-3D) with a high silicon content (9nano-S@1SiOC&C by mass), active electrically conducting additive of synthetic graphite KS6 and vinylidene fluoride polymer binder in traditional ethylene carbonate electrolyte. The effect is discussed of carbon-enriched silicon oxycarbide (glass-like carbon) – SiOC&C, as a modifier of the "silicon | electrolyte" interface, synthesized using polymethylphenylsiloxane, on their electrochemical behavior. Formation of structurally-integrated phase boundary in the synthesis of the composite, the high mechanical strength of the glass-like carbon, the capability of SiOC&C to set up a relatively large amount of lithium in its bulk and a low electrocatalytic activity of this material in relation to organic electrolyte allows to accommodate without cracking the volume changes of silicon, solving the problem of preventing destruction carbon coating of active nanoparticles during long-term cycles of silicon electrodes. Glass-like carbon material can also contribute to the phase transition of the cubic ?-Li15Si4, with the formation of which the volume of the original silicon increases by 280 %, to a denser ortorombic ?-Li15Si4, with a smaller increase in silicon volume (by 210 %). Therefore, the usual vinylidene fluoride polymer binder for graphite anode of lithium-ion batteries can provide effective electrical contact between the particles of the active silicon material and the current collector. These electrodes are effective for use in high-energy lithium-ion superbatteries. |
| first_indexed | 2025-07-22T19:33:52Z |
| format | Article |
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-532 |
| institution | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-17T12:08:06Z |
| publishDate | 2020 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-5322022-06-29T10:02:41Z Stable silicon electrodes with vinylidene fluoride polymer binder for lithium-ion batteries Стабильные кремниевые электроды с поливинилиденфторид-связующим для литий-ионных аккумуляторов Стабільні кремнієві електроди з полівініліденфторид-зв’язуючим для літій-іонних акумуляторів Kuksenko, S. P. Tarasenko, Yu. O. Kaleniuk, H. O. Кartel, M. T. nanosilicon synthetic graphite carbon-riched silicon oxycarbide (glass-like carbon) silicon nanocomposites vinylidene fluoride polymer ethylene carbonate electrolyte lithium-ion batteries нанокремній синтетичний графіт збагачений вуглецем оксикарбід кремнію (склоподібний вуглець) кремнієві нанокомпозити полівініліденфторид етиленкарбонатний електроліт літій-іонні акумулятори нанокремний синтетический графит обогащенный углеродом оксикарбид кремния (стеклоподобний углерод) кремниевые нанокомпозиты поливинилиденфторид этиленкарбонатный электролит литий-ионные аккумуляторы Replacing intercalated graphite in traditional lithium-ion batteries with conversion silicon anode material gives an advantage in increasing specific energy at a lower price. A significant drawback of silicon is its very large swelling when saturated with lithium, with the growth of mechanical loads in the bulk of the electrode layer. Direct use of silicon, even nanoscale, is impossible without modifying the interface of the "silicon | electrolyte". A stable cycling is shown of silicon electrodes based on the nanocomposite Si@SiOC&C (0D ? micro-3D) with a high silicon content (9nano-S@1SiOC&C by mass), active electrically conducting additive of synthetic graphite KS6 and vinylidene fluoride polymer binder in traditional ethylene carbonate electrolyte. The effect is discussed of carbon-enriched silicon oxycarbide (glass-like carbon) – SiOC&C, as a modifier of the "silicon | electrolyte" interface, synthesized using polymethylphenylsiloxane, on their electrochemical behavior. Formation of structurally-integrated phase boundary in the synthesis of the composite, the high mechanical strength of the glass-like carbon, the capability of SiOC&C to set up a relatively large amount of lithium in its bulk and a low electrocatalytic activity of this material in relation to organic electrolyte allows to accommodate without cracking the volume changes of silicon, solving the problem of preventing destruction carbon coating of active nanoparticles during long-term cycles of silicon electrodes. Glass-like carbon material can also contribute to the phase transition of the cubic ?-Li15Si4, with the formation of which the volume of the original silicon increases by 280 %, to a denser ortorombic ?-Li15Si4, with a smaller increase in silicon volume (by 210 %). Therefore, the usual vinylidene fluoride polymer binder for graphite anode of lithium-ion batteries can provide effective electrical contact between the particles of the active silicon material and the current collector. These electrodes are effective for use in high-energy lithium-ion superbatteries. Замена интеркалируемого графита в традиционных литий-ионных аккумуляторах на конверсионный кремниевый анодный материал дает преимущество в повышении удельной энергии при более низкой цене. Существенным недостатком кремния является его очень большое разбухание при насыщении литием, с ростом механических нагрузок в объеме электродного слоя. Прямое использование кремния, даже наноразмерного, невозможно без модифицирования границы раздела «кремний | электролит». Показано стабильное циклирование кремниевых электродов на основе нанокомпозита Si@SiOC&C (0D ? микро–3D) с высоким содержанием кремния (9нано-Sі@1SiOC&C по массе), активной электропроводной добавкой синтетического графита KS6 и поливинилиденфторид-связующим в традиционном этиленкарбонатном электролите. Обсуждается влияние обогащенного углеродом оксикарбида кремния (стеклоподобного углерода) – SiOC&C, как модификатора границы раздела «кремний | электролит», синтезироованного с использованием полиметилфенилсилоксана, на их электрохимическое поведение. Формирование при синтезе композита структурно-интегрованной границы раздела фаз, высокая механическая прочность стеклоподобного углерода, способность SiOC&C размещать в своем объеме относительно большое количество лития и низкая электрокаталитическая активность этого материала по отношению к органическому электролиту позволяют аккомодировать без растрескивания объемные изменения кремния при литировании–делитировании, решая проблему предотвращения разрушения углеродного покрытия активных наночастиц в процессе длительного циклирования кремниевых электродов. Стеклоподобный углеродный материал также может способствовать фазовому переходу кубического ?-Li15Si4, при образовании которого объем исходного кремния возрастает на 280 %, в более плотный орторомбический ?-Li15Si4, с меньшим ростом объема кремния (на 210 %). Поэтому обычное для графитового анода литий-ионных аккумуляторов поливинилиденфторид-связующее способно обеспечить эффективный электрический контакт между частицами активного кремниевого материала и токоотводом-подложкой. Такие электроды эффективны для использования в высокоэнергоемких литий-ионных супераккумуляторах. Заміна інтеркальованого графіту у традиційних літій-іонних акумуляторах на конверсійний кремнієвий анодний матеріал надає перевагу в підвищенні питомої енергії за нижчу ціну. Суттєвим недоліком кремнію є його дуже велике розбухання при насиченні літієм, із зростанням механічних навантажень в об’ємі електродного шару. Пряме використання кремнію, навіть нанорозмірного, неможливе без модифікування межі поділу «кремній | електроліт». Показане стабільне цикліювання кремнієвих електродів на основі нанокомпозиту Si@SiOC&C (0D ? мікро–3D) з високим вмістом кремнію (9нано-Sі@1SiOC&C по масі) активною електропровідною добавкою синтетичного графіту KS6 і полівініліденфторид-зв’язуючим у традиційному етиленкарбонатному електроліті. Обговорюється вплив збагаченого вуглецем оксикарбіду кремнію (склоподібного вуглецю) – SiOC&C як модифікатора межі поділу «кремній | електроліт», синтезованого з використанням поліметилфенілсилоксану, на їхню електрохімічну поведінку. Формування при синтезі композиту структурно-інтегрованої межі поділу фаз, висока механічна міцность склоподібного вуглецю, здатність SiOC&C розміщувати у своєму об’ємі відносно велику кількість літію і низька електрокаталітична активність цього матеріалу по відношенню до органічного електроліту дозволяють акомодувати без розтріскування об’ємні зміни кремнію при літіюванні–делітіюванні, вирішуючи проблему запобігання руйнації вуглецевого покриття активних наночастинок в процесі тривалого цикліювання кремнієвих електродів. Склоподібний вуглецевий матеріал також може сприяти фазовому переходу кубічного ?-Li15Si4, при утворенні якого об’єм вихідного кремнію зростає на 280 %, у більш щільний орторомбічний ?-Li15Si4, із меншим зростанням об’єму кремнію (на 210 %). Тому звичайне для графітового аноду літій-іонних акумуляторів полівініліденфторид-зв’язуюче здатне забезпечити ефективний електричний контакт між частинками активного кремнієвого матеріалу і струмовідводом-підкладинкою. Такі електроди ефективні для використання у високоенергоємних літій-іонних суперакумуляторах. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2020-02-24 Article Article application/pdf https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/532 10.15407/hftp11.01.058 Chemistry, Physics and Technology of Surface; Vol. 11 No. 1 (2020): Chemistry, Physics and Technology of Surface / Himia, Fizika ta Tehnologia Poverhni; 58-71 Химия, физика и технология поверхности; Том 11 № 1 (2020): Химия, физика и технология поверхности; 58-71 Хімія, фізика та технологія поверхні; Том 11 № 1 (2020): Хімія, фізика та технологія поверхні; 58-71 2518-1238 2079-1704 10.15407/hftp11.01 uk https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/532/535 Copyright (c) 2020 S. P. Kuksenko, Yu. O. Tarasenko, H. O. Kaleniuk, M. T. Кartel |
| spellingShingle | нанокремній синтетичний графіт збагачений вуглецем оксикарбід кремнію (склоподібний вуглець) кремнієві нанокомпозити полівініліденфторид етиленкарбонатний електроліт літій-іонні акумулятори Kuksenko, S. P. Tarasenko, Yu. O. Kaleniuk, H. O. Кartel, M. T. Стабільні кремнієві електроди з полівініліденфторид-зв’язуючим для літій-іонних акумуляторів |
| title | Стабільні кремнієві електроди з полівініліденфторид-зв’язуючим для літій-іонних акумуляторів |
| title_alt | Stable silicon electrodes with vinylidene fluoride polymer binder for lithium-ion batteries Стабильные кремниевые электроды с поливинилиденфторид-связующим для литий-ионных аккумуляторов |
| title_full | Стабільні кремнієві електроди з полівініліденфторид-зв’язуючим для літій-іонних акумуляторів |
| title_fullStr | Стабільні кремнієві електроди з полівініліденфторид-зв’язуючим для літій-іонних акумуляторів |
| title_full_unstemmed | Стабільні кремнієві електроди з полівініліденфторид-зв’язуючим для літій-іонних акумуляторів |
| title_short | Стабільні кремнієві електроди з полівініліденфторид-зв’язуючим для літій-іонних акумуляторів |
| title_sort | стабільні кремнієві електроди з полівініліденфторид-зв’язуючим для літій-іонних акумуляторів |
| topic | нанокремній синтетичний графіт збагачений вуглецем оксикарбід кремнію (склоподібний вуглець) кремнієві нанокомпозити полівініліденфторид етиленкарбонатний електроліт літій-іонні акумулятори |
| topic_facet | nanosilicon synthetic graphite carbon-riched silicon oxycarbide (glass-like carbon) silicon nanocomposites vinylidene fluoride polymer ethylene carbonate electrolyte lithium-ion batteries нанокремній синтетичний графіт збагачений вуглецем оксикарбід кремнію (склоподібний вуглець) кремнієві нанокомпозити полівініліденфторид етиленкарбонатний електроліт літій-іонні акумулятори нанокремний синтетический графит обогащенный углеродом оксикарбид кремния (стеклоподобний углерод) кремниевые нанокомпозиты поливинилиденфторид этиленкарбонатный электролит литий-ионные аккумуляторы |
| url | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/532 |
| work_keys_str_mv | AT kuksenkosp stablesiliconelectrodeswithvinylidenefluoridepolymerbinderforlithiumionbatteries AT tarasenkoyuo stablesiliconelectrodeswithvinylidenefluoridepolymerbinderforlithiumionbatteries AT kaleniukho stablesiliconelectrodeswithvinylidenefluoridepolymerbinderforlithiumionbatteries AT kartelmt stablesiliconelectrodeswithvinylidenefluoridepolymerbinderforlithiumionbatteries AT kuksenkosp stabilʹnyekremnievyeélektrodyspolivinilidenftoridsvâzuûŝimdlâlitijionnyhakkumulâtorov AT tarasenkoyuo stabilʹnyekremnievyeélektrodyspolivinilidenftoridsvâzuûŝimdlâlitijionnyhakkumulâtorov AT kaleniukho stabilʹnyekremnievyeélektrodyspolivinilidenftoridsvâzuûŝimdlâlitijionnyhakkumulâtorov AT kartelmt stabilʹnyekremnievyeélektrodyspolivinilidenftoridsvâzuûŝimdlâlitijionnyhakkumulâtorov AT kuksenkosp stabílʹníkremníêvíelektrodizpolívínílídenftoridzvâzuûčimdlâlítíjíonnihakumulâtorív AT tarasenkoyuo stabílʹníkremníêvíelektrodizpolívínílídenftoridzvâzuûčimdlâlítíjíonnihakumulâtorív AT kaleniukho stabílʹníkremníêvíelektrodizpolívínílídenftoridzvâzuûčimdlâlítíjíonnihakumulâtorív AT kartelmt stabílʹníkremníêvíelektrodizpolívínílídenftoridzvâzuûčimdlâlítíjíonnihakumulâtorív |