Оксикарбидное стекло
Оксикарбидное стекло , также называемое оксикарбидом кремния, представляет собой тип стекла , которое помимо диоксида кремния содержит кислород и углерод . [ 1 ] Он создается путем замены некоторых атомов кислорода атомами углерода. Это стекло может содержать частицы аморфного углерода и карбида кремния . [ 2 ] Материалы SiOC различной стехиометрии привлекательны из-за их, как правило, высокой плотности, твердости и высоких температур эксплуатации. Благодаря разнообразным методам формования можно получить высокопроизводительные детали сложной формы. В отличие от чистого SiC, универсальная стехиометрия SiOC предлагает дополнительные возможности для настройки физических свойств за счет соответствующего выбора параметров обработки. [ 3 ]
Аморфный оксикарбид кремния может образовываться в качестве продукта пиролиза прекерамических полимеров , включая поликарбосилан . Такие материалы вызывают растущий интерес в аддитивном производстве керамических деталей с использованием процессов типа стереолитографии . Оксикарбид кремния, образованный из предшественника полимера, представляет собой важный представитель класса материалов, известных как керамика на основе полимеров. [ 4 ]
Микроструктура SiOC может быть изменена за счет состава других фаз; Через некоторое время изготовленные композиты могут привнести микро-, мезо- и макропористость. Набор пористости разработан для конкретных целей, например, для использования в качестве мембраны. [ 5 ] [ 6 ]
Использование в качестве электродного материала
[ редактировать ]Чистый материал
[ редактировать ]Оксикарбид кремния обладает высокой литий-ионной емкостью от 600 до 700 мАч г. −1 , [ 7 ] низкое объемное расширение при литиировании около 7% [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] и высокая электронная проводимость.
В качестве ведущей матрицы
[ редактировать ]Чтобы максимизировать емкость анодного заряда литий-ионных батарей, анодные материалы легирующего типа, такие как Sn и Sb, вызвали значительный интерес из-за их высокой теоретической емкости - 992 и 660 мАч г. −1 и подходящее окно напряжения литиирования/делитиации 0,01–1,5 В по сравнению с . Ли + /Ли. Недавние достижения в наноструктурировании анодов легирующего типа обеспечивают эффективный способ смягчения проблем, связанных с их объемным расширением при литиировании, которые серьезно препятствуют стабильности циклирования. [ 11 ] Кроме того, одним из распространенных подходов к стабилизации таких электродов является внедрение Sn или Sb в виде наночастиц в матрицу. Матрица помогает буферизовать изменения объема, обеспечивать лучшую электронную связь и предотвращать агрегацию частиц при литиировании/делитиации. В этом контексте оксикарбид кремния является привлекательным кандидатом для стабилизации включений Sn и Sb.
Сообщалось о простом синтезе наночастиц олова, внедренных в матрицу SiOC, посредством пиролиза прекерамического полимера в качестве предшественника из одного источника. Этот полимер содержит Sn 2-этилгексаноат (Sn(Oct) 2 ) и поли(метилгидросилоксан) в качестве источников Sn и Si соответственно. При функционализации аполярными дивинилбензольными боковыми цепями полимер становится совместимым с Sn(Oct) 2 . Такой подход позволяет получить однородную дисперсию наночастиц Sn в матрице SiOC с размерами порядка 5–30 нм. Аноды нанокомпозита SiOC/Sn демонстрируют высокую емкость 644 и 553 мАч·г. −1 при плотностях тока 74,4 и 2232 мА г −1 (скорости C/5 и 6C для графита) соответственно и демонстрируют превосходную производительность с падением емкости всего на 14% при больших токах. [ 12 ]
Аналогичный подход был описан для стабилизации наночастиц Sb; получены гомогенно внедренные наночастицы Sb в матрице SiOC размером 5–40 нм Путем пиролиза прекерамического полимера . Последний получают катализируемой Pt реакцией гелеобразования 2-этилгексаноата Sb и смеси поли(метилгидросилоксана)/дивинилбензола. Полная смешиваемость этих предшественников была достигнута за счет функционализации поли(метилгидросилоксана) аполярными дивинилбензольными боковыми цепями. Было показано, что аноды, состоящие из SiOC/Sb, обладают высокой скоростной способностью, обеспечивая емкость хранения заряда в диапазоне 703–549 мА рт. ст. −1 при плотности тока 74,4–2232 мА·г −1 . [ 13 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Сакка С (2005). Справочник по золь-гель науке и технике. 2. Характеристика и свойства золь-гель материалов и изделий . Springer Science & Business Media. ISBN 9781402079672 .
- ^ Вахтман Дж. Б. (28 сентября 2009 г.). 17-я ежегодная конференция по композитам и современным керамическим материалам, часть 2 из 2 . Джон Уайли и сыновья. ISBN 9780470316221 .
- ^ Пантано К.Г., Сингх А.К., Чжан Х.Дж. (1999). «Кремниевые оксикарбидные очки». Журнал золь-гель науки и технологий . 14 (1): 7–25. дои : 10.1023/A:1008765829012 . S2CID 94676111 .
- ^ Ван Х, Шмидт Ф., Ханаор Д., Камм П.Х., Ли С., Гурло А. (май 2019 г.). «Аддитивное производство керамики из прекерамических полимеров: универсальный стереолитографический подход с использованием тиол-еновой клик-химии». Аддитивное производство . 27 : 80–90. arXiv : 1905.02060 . дои : 10.1016/j.addma.2019.02.012 . S2CID 104470679 .
- ^ Чжунъян Ли; Кусакабе, Кацуки; Морока, Сигэхару (сентябрь 1996 г.). «Получение термостабильной аморфной мембраны Si·C·O и ее применение для разделения газов при повышенной температуре» . Журнал мембранной науки . 118 (2): 159–168. дои : 10.1016/0376-7388(96)00086-5 .
- ^ Абдоллахи, Сорош; Парьяб, Амирхосейн; Рахмани, Сина; Акбари, Моджтаба; Сарпулаки, Хосейн (август 2020 г.). «Синтез нано/макрокомпозитов SiOC/Al2O3 методом PDC; исследование потенциалов в слоях мембраны реактора с насадочным слоем» . Керамика Интернешнл . 46 (11): 19000–19007. doi : 10.1016/j.ceramint.2020.04.229 . S2CID 219054349 .
- ^ Халим М., Худая С., Ким А.Ю., Ли Дж.К. (09 февраля 2016 г.). «Силиконовое масло с высоким содержанием фенила как предшественник анодных материалов SiOC для литий-ионных батарей с длинным циклом и высокой производительностью». Журнал химии материалов А. 4 (7): 2651–2656. дои : 10.1039/C5TA09973K .
- ^ Рорер Дж., Вранкович Д., Купидон Д., Ридель Р., Зайферт Х.Дж., Альбе К., Грачик-Заяц М. (04.07.2017). «Si- и Sn-содержащие нанокомпозиты на основе SiOCN как анодные материалы для литий-ионных аккумуляторов: синтез, термодинамическая характеристика и моделирование». Международный журнал исследования материалов . 108 (11): 920–932. дои : 10.3139/146.111517 . ISSN 1862-5282 . S2CID 102811056 .
- ^ Вранкович Д., Грачик-Заяц М., Калчер С., Рорер Дж., Беккер М., Стаблер С. и др. (ноябрь 2017 г.). «Высокопористый кремний, внедренный в керамическую матрицу: стабильный электрод высокой емкости для литий-ионных аккумуляторов». АСУ Нано . 11 (11): 11409–11416. дои : 10.1021/acsnano.7b06031 . ПМИД 29061037 .
- ^ Стаблер С, Ионеску Э, Грачик-Заяц М, Гонсало-Хуан И, Ридель Р (2018). «Стекла из оксикарбида кремния и стеклокерамика: «универсальные» материалы для сложных структурных и функциональных применений» . Журнал Американского керамического общества . 101 (11): 4817–4856. дои : 10.1111/jace.15932 . ISSN 1551-2916 . S2CID 139361360 .
- ^ Махмуд Н., Тан Т., Хоу Ю (2016). «Наноструктурированные анодные материалы для литий-ионных аккумуляторов: прогресс, проблемы и перспективы». Передовые энергетические материалы . 6 (17): 1600374. doi : 10.1002/aenm.201600374 . S2CID 100210308 .
- ^ Дубей Р.Дж., Сасикумар П.В., Крумеич Ф., Блуган Г., Кюблер Дж., Кравчик К.В. и др. (октябрь 2019 г.). «Нанокомпозит оксикарбид кремния-олово как анод высокой мощности для литий-ионных аккумуляторов» . Передовая наука . 6 (19): 1901220. doi : 10.1002/advs.201901220 . ПМК 6774025 . ПМИД 31592424 .
- ^ Дубей Р.Дж., Сасикумар П.В., Чербони Н., Эбли М., Крумеих Ф., Блюган Г. и др. (июнь 2020 г.). «Нанокомпозиты оксикарбид кремния-сурьма для высокоэффективных анодов литий-ионных аккумуляторов» . Наномасштаб . 12 (25): 13540–13547. дои : 10.1039/D0NR02930K . hdl : 20.500.11850/423458 . ПМИД 32555828 .