1.4. Tổng hợp vật liệu tổ hợp Si/Gr-CNT
1.4.5 Ứng dụng của vật liệu tổ hợp
Trong công nghệ chế tạo LiB, các nhà nghiên cứu đang tiếp cận theo ba hướng độc lập là chế tạo điện cực anodes, cathodes và chất điện ly. Trong đó, nghiên cứu chế tạo điện cực anodes đang nhận được nhiều sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới. Graphit là vật liệu anode chính của pin LIB kể từ khi được Sony thương mại hóa vào năm 1991. Nguyên nhân vì là do graphite có nhiều lợi thế, chẳng hạn như giá thành thấp, trữ lượng lớn, không độc và ổn định cấu trúc. Tuy nhiên, graphite không đáp ứng được nhu cầu năng lượng cao của thị trường ô tô điện và ô tô hybrid tiên tiến do dung lượng cụ thể trên lý thuyết hạn chế của nó là ~ 370 mAh.g-1. Vì vậy, một số lượng lớn vật liệu anode mới với khả năng lưu trữ cao, mật độ năng lượng cao và cải thiện đặc tính chu trình cho LIB trong thập kỷ qua đã được đề xuất thay thế. Trong số các vật liệu anode tiên tiến này, Si đã thu hút sự chú ý đáng kể như một sự lựa chọn cho pin Li-ion chủ yếu là do (i) dung lượng cụ thể của nó là 4.200 mAhg-1 và dung tích là 9,786 mAh.cm-3 (cao nhất được biết đến đối với anode của LIB), (ii) thế năng làm việc tương đối thấp (0,5 V so với Li/Li +); và (iii) Si nguyên tố có sẵn trong tự nhiên và sự thân thiện với môi trường.
Tuy nhiên, việc triển khai thực tế đối với anode Si vẫn bị cản trở do ba vấn đề lớn. Đầu tiên, vòng đời kém của vật liệu silicon là kết quả của quá trình bột hóa trong quá trình thay đổi thể tích lớn (> 300%) đi kèm với sự xen phủ và khử nồng độ ion lithium. Thứ hai, sự mất mát công suất không thể phục hồi và hiệu suất kết hợp thấp là do sự đứt gãy cơ học của các anode Si trong quá trình hợp kim hóa/xử lý. Cuối cùng, điện phân rắn (SEI) bị vỡ khi cấu trúc nano do sự co lại trong quá trình phân tách. Điều này dẫn đến sự tiếp xúc của bề mặt Si mới với chất điện phân và sự biến đổi của SEI, dẫn đến SEI ngày càng dày hơn với mỗi chu kỳ sạc/xả.
Một cách tiếp cận khác để khắc phục sự thay đổi thể tích trong quá trình sạc xả là tạo thành một vật liệu composite. Chất nền không có sự thay đổi đáng kể về thể tích, có thể đệm cho sự giãn nở của Si, duy trì tính toàn vẹn cấu trúc của điện cực và tăng cường độ ổn định bằng cách giảm sự kết tụ silic. Giải pháp tiềm năng và đầy hứa hẹn là chế tạo vật liệu tổ hợp nanocacbon/Si, lợi ích của chúng là độ dẫn điện được cải thiện và khả năng dãn nở của nền cacbon. Ngoài ra, nanocacbon có ưu điểm là tăng độ dẫn điện và khả năng lưu trữ. Tuy nhiên, vấn đề là liên kết Si và vật liệu nanocacbon có thể sẽ bị vỡ trong quá trình sạc xả, dẫn đến việc Si tiếp xúc với các chất điện phân và lắng đọng thêm SEI.
Gần đây, He và cộng sự cũng tại Đại học Công nghệ Nanjng, Trung Quốc cũng đã chế tạo vật liệu tổ hợp nano ba chiều của Si được gắn trong cấu trúc ba chiều Gr- CNT cho LIB cao cấp [52]. Si@CNT/GS nanocomposite thể hiện khả năng đảo ngược cao 1362 mAhg-1 ở 500 mAg-1 trên 500 chu kỳ. Kết quả cho thấy sự cải thiện hiệu suất của pin so với những điện cực được làm từ vật liệu Gr/Si, do đó cho thấy tiềm năng lớn của loại vật liệu này khi sử dụng như một cấu trúc hỗn hợp anode để lưu trữ lithium.
Hình 1.9. (a) Mô hình cấu trúc ba chiều của Si@CNT/GS nanocomposite, b) Ảnh SEM và ảnh HRTEM của nanocomposite, c) Dung lượng của vật liệu
nanocomposite sau 500 chu kỳ sạc/ xả.