Оксикарбидное стекло

Оксикарбидное стекло , также называемое кремниевым оксикарбидом, представляет собой тип стекла , который содержит кислород и углерод в дополнение к диоксиду кремния . [1] Оно создается путем замены некоторых атомов кислорода атомами углерода. Это стекло может содержать частицы аморфного углерода и карбида кремния . [2] Материалы SiOC различной стехиометрии привлекательны благодаря своей, как правило, высокой плотности, твердости и высоким температурам эксплуатации. С помощью различных методов формования можно получить высокопроизводительные детали сложной формы. В отличие от чистого SiC, универсальная стехиометрия SiOC предлагает дополнительные возможности для настройки физических свойств посредством соответствующего выбора параметров обработки. [3]

Аморфный оксикарбид кремния может образовываться как продукт пиролиза прекерамических полимеров, включая поликарбосилан . Такие материалы представляют все больший интерес для аддитивного производства керамических деталей с использованием процессов типа стереолитографии . При формировании из полимерного предшественника оксикарбид кремния является важным членом класса материалов, известных как керамика, полученная из полимеров [4]

Микроструктура SiOC может быть изменена путем добавления других фаз; В то же время микро-, мезо- и макропористость может быть введена изготовленными композитами. Массив пористости проектируется для определенных целей, например, использования в качестве мембраны. [5] [6]

Использовать в качестве электродного материала

Чистый материал

Оксикарбид кремния отличается высокой емкостью хранения Li-ion от 600 до 700 мАч г −1 [ 7], низким расширением объема при литировании около 7% [8] [9] [10] и высокой электронной проводимостью.

Как принимающая матрица

Чтобы максимизировать анодную емкость хранения заряда литий-ионных аккумуляторов, материалы анода легирующего типа, такие как Sn и Sb, привлекли значительный интерес из-за их высокой теоретической емкости 992 и 660 мАч г −1 и подходящего окна напряжения литирования/делитирования 0,01–1,5 В по сравнению с Li + /Li. Недавние достижения в наноструктурировании анодов легирующего типа обеспечивают эффективный способ смягчения проблем их объемного расширения при литировании, которые серьезно затрудняют стабильность циклирования. [11] Кроме того, одним из преобладающих подходов к стабилизации таких электродов является внедрение Sn или Sb в форме наночастиц в матрицу. Матрица помогает буферизировать изменения объема, придавать лучшую электронную связность и предотвращать агрегацию частиц при литировании/делитировании. В этом контексте оксикарбид кремния является привлекательным кандидатом для стабилизации включений Sn и Sb.

Сообщалось о легком синтезе наночастиц Sn, внедренных в матрицу SiOC, посредством пиролиза прекерамического полимера в качестве исходного прекурсора. Этот полимер содержит Sn 2-этил-гексаноат (Sn(Oct) 2 ) и поли(метилгидросилоксан) в качестве источников Sn и Si соответственно. После функционализации неполярными боковыми цепями дивинилбензола полимер становится совместимым с Sn(Oct) 2 . Этот подход дает однородную дисперсию наночастиц Sn в матрице SiOC с размерами порядка 5–30 нм. Аноды из нанокомпозита SiOC/Sn демонстрируют высокую емкость 644 и 553 мАч г −1 при плотности тока 74,4 и 2232 мА г −1 (скорости C/5 и 6C для графита) соответственно и демонстрируют превосходную скоростную способность с падением емкости всего на 14% при высоких токах. [12]

Аналогичный подход был описан для стабилизации наночастиц Sb; однородно внедренные наночастицы Sb в матрицу SiOC размером 5–40 нм были получены посредством пиролиза прекерамического полимера. Последний получен посредством катализируемой Pt реакции гелеобразования 2-этилгексаноата Sb и смеси поли(метилгидросилоксана)/дивинилбензола. Полная смешиваемость этих прекурсоров была достигнута путем функционализации поли(метилгидросилоксана) боковыми цепями неполярного дивинилбензола. Было показано, что аноды, состоящие из SiOC/Sb, демонстрируют высокую скорость, обеспечивая емкость хранения заряда в диапазоне 703–549 мА ч г −1 при плотности тока 74,4–2232 мА г −1 . [13]

Ссылки

  1. ^ Sakka S (2005). Справочник по золь-гель науке и технологии. 2. Характеристика и свойства золь-гель материалов и продуктов. Springer Science & Business Media. ISBN 9781402079672.
  2. ^ Wachtman JB (2009-09-28). 17-я ежегодная конференция по композитам и передовым керамическим материалам, часть 2 из 2. John Wiley & Sons. ISBN 9780470316221.
  3. ^ Pantano CG, Singh AK, Zhang HJ (1999). «Оксикарбидные стекла из кремния». Журнал золь-гель науки и технологии . 14 (1): 7– 25. doi :10.1023/A:1008765829012. S2CID  94676111.
  4. ^ Wang X, Schmidt F, Hanaor D, Kamm PH, Li S, Gurlo A (май 2019). «Аддитивное производство керамики из прекерамических полимеров: универсальный стереолитографический подход с использованием тиол-еновой клик-химии». Additive Manufacturing . 27 : 80–90 . arXiv : 1905.02060 . doi : 10.1016/j.addma.2019.02.012. S2CID  104470679.
  5. ^ Чжуньян Ли; Кусакабэ, Кацуки; Морока, Шигехару (сентябрь 1996 г.). «Подготовка термостабильной аморфной мембраны Si·C·O и ее применение для разделения газов при повышенной температуре». Журнал мембранной науки . 118 (2): 159– 168. doi :10.1016/0376-7388(96)00086-5.
  6. ^ Абдоллахи, Сорош; Парьяб, Амирхосин; Рахмани, Сина; Акбари, Моджтаба; Сарпулаки, Хоссейн (август 2020 г.). «Синтез нано/макрокомпозитов SiOC/Al2O3 методом PDC; исследование потенциалов как слоев мембраны реактора с насадочным слоем». Ceramics International . 46 (11): 19000– 19007. doi :10.1016/j.ceramint.2020.04.229. S2CID  219054349.
  7. ^ Halim M, Hudaya C, Kim AY, Lee JK (2016-02-09). «Силиконовое масло с высоким содержанием фенила как прекурсор для анодных материалов SiOC для литий-ионных аккумуляторов с длительным циклом и высокой скоростью». Journal of Materials Chemistry A. 4 ( 7): 2651– 2656. doi :10.1039/C5TA09973K.
  8. ^ Rohrer J, Vrankovic D, Cupid D, Riedel R, Seifert HJ, Albe K, Graczyk-Zajac M (2017-07-04). "Si- и Sn-содержащие нанокомпозиты на основе SiOCN в качестве анодных материалов для литий-ионных аккумуляторов: синтез, термодинамическая характеристика и моделирование". International Journal of Materials Research . 108 (11): 920–932 . doi :10.3139/146.111517. ISSN  1862-5282. S2CID  102811056.
  9. ^ Vrankovic D, Graczyk-Zajac M, Kalcher C, Rohrer J, Becker M, Stabler C и др. (Ноябрь 2017 г.). «Высокопористый кремний, встроенный в керамическую матрицу: стабильный электрод высокой емкости для литий-ионных аккумуляторов». ACS Nano . 11 (11): 11409– 11416. doi :10.1021/acsnano.7b06031. PMID  29061037.
  10. ^ Stabler C, Ionescu E, Graczyk-Zajac M, Gonzalo-Juan I, Riedel R (2018). «Кремниевые оксикарбидные стекла и стеклокерамика: «универсальные» материалы для передовых структурных и функциональных применений». Журнал Американского керамического общества . 101 (11): 4817– 4856. doi : 10.1111/jace.15932 . ISSN  1551-2916. S2CID  139361360.
  11. ^ Mahmood N, Tang T, Hou Y (2016). «Наноструктурированные анодные материалы для литий-ионных аккумуляторов: прогресс, проблемы и перспективы». Advanced Energy Materials . 6 (17): 1600374. doi :10.1002/aenm.201600374. S2CID  100210308.
  12. ^ Dubey RJ, Sasikumar PV, Krumeich F, Blugan G, Kuebler J, Kravchyk KV и др. (октябрь 2019 г.). «Нанокомпозит оксикарбида кремния-олова как анод высокой плотности мощности для литий-ионных аккумуляторов». Advanced Science . 6 (19): 1901220. doi :10.1002/advs.201901220. PMC 6774025 . PMID  31592424. 
  13. ^ Dubey RJ, Sasikumar PV, Cerboni N, Aebli M, Krumeich F, Blugan G, et al. (Июнь 2020 г.). «Нанокомпозиты оксикарбида кремния-сурьмы для высокопроизводительных анодов литий-ионных аккумуляторов». Nanoscale . 12 (25): 13540– 13547. doi : 10.1039/D0NR02930K . hdl : 20.500.11850/423458 . PMID  32555828.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Оксикарбидное_стекло&oldid=1239330201"