Розгляд можливості багатомасштабного плазмо-хімічного виробництва нанокремнію для літій-іонних батарей

Автор(и)

  • Станіслав Володимирович Петров Інститут газу Національної академії наук України, Україна https://orcid.org/0000-0003-0373-8003
  • Сергій Григорович Бондаренко Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна https://orcid.org/0000-0001-9590-4747
  • Koichi Sato Kankyo Techno Co. LTD, Японія https://orcid.org/0000-0002-5047-1594

DOI:

https://doi.org/10.15587/2706-5448.2022.259066

Ключові слова:

плазмохімічний синтез, плазмовий реактор, нанокремній, кремнієвий електрод, літій-іонний акумулятор, чисельне моделювання

Анотація

Об'єктом дослідження є процес одержання кремнієвих наноматеріалів для літій-іонних акумуляторних батарей накопичувачів енергії, а предметом дослідження – технологія газофазного плазмохімічного синтезу для виробництва Si-наночастинок.

У ході дослідження використовувалися методи чисельного моделювання, що дозволило визначити параметри температурних полів, швидкостей та концентрацій. Для дослідження процесів синтезу нанопорошків розроблено плазмовий реактор з електродуговим плазмотроном лінійної схеми та з використанням аргон-водневої суміші в якості плазмоутворюючого газу. Для аналізу впливу зовнішнього магнітного поля на управління параметрами плазмового струменя була проведена серія експериментів з використанням електродугового плазмотрона на плазмових лабораторних установках потужністю в 30 і 150 кВт.

Проведено дослідження впливу магнітного поля на процес формування та випаровування газопорошкового потоку в струмені плазми шляхом визначення конфігурації, геометричних розмірів та структури початкової ділянки струменя. При цьому дисперсний матеріал – кремнієвий порошок подавався на зріз сопла плазмотрону за радіальною схемою. Отримано експериментальне підтвердження явища подовження високотемпературної початкової ділянки плазмового струменя в поздовжньому магнітному полі. Результати експериментів свідчать, що створення периферійної газової завіси істотно змінює характеристики тепло- і масообміну в реакторі. Слід очікувати, що з оптимізації можна виключити осадження частинок нанокремнію на стінки реактора та забезпечити умови безперервної роботи. Вивчено вплив двофазної течії, теплообміну та масового потоку наночастинок, у тому числі на поверхню плазмового реактора з обмеженим струменевим перебігом у процесах одержання нанопорошків кремнію. Це дозволило скоригувати ряд технологічних параметрів процесу конструктивного оформлення процесів плазмового синтезу нанопорошків.

Отримані закономірності можуть бути використані для конструктивно-технологічного оформлення під час створення та освоєння пілотної установки для високопродуктивного виробництва нанокремнієвих порошків.

Біографії авторів

Станіслав Володимирович Петров, Інститут газу Національної академії наук України

Доктор технічних наук, провідний науковий співробітник

Відділ плазмових технологій

Сергій Григорович Бондаренко, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра технології неорганічних речовин, водоочищення та загальної хімічної технології

Koichi Sato, Kankyo Techno Co. LTD

Technical counsellor

Посилання

  1. Berdichevsky, G. (2020). The Future of Energy Storage Towards A Perfect Battery with Global Scale. Available at: https://www.silanano.com/uploads/Sila-_-The-Future-of-Energy-Storage-White-Paper.pdf
  2. Doğan, İ., van de Sanden, M. C. M. (2015). Gas-Phase Plasma Synthesis of Free-Standing Silicon Nanoparticles for Future Energy Applications. Plasma Processes and Polymers, 13 (1), 19–53. doi: http://doi.org/10.1002/ppap.201500197
  3. Zeng, X., Li, M., Abd El‐Hady, D., Alshitari, W., Al‐Bogami, A. S., Lu, J., Amine, K. (2019). Commercialization of Lithium Battery Technologies for Electric Vehicles. Advanced Energy Materials, 9 (27), 1900161. doi: http://doi.org/10.1002/aenm.201900161
  4. Yuca, N., Taskin, O. S., Arici, E. (2019). An overview on efforts to enhance the Si electrode stability for lithium ion batteries. Energy Storage, 2 (1). doi: http://doi.org/10.1002/est2.94
  5. Kuksenko, S. P., Tarasenko, Y. O., Kaleniuk, H. O., Kartel, M. T. (2020). Stable silicon electrodes with vinylidene fluoride polymer binder for lithium-ion batteries. Himia, Fizika Ta Tehnologia Poverhni, 11 (1), 58–71. doi: http://doi.org/10.15407/hftp11.01.058
  6. Schwan, J., Nava, G., Mangolini, L. (2020). Critical barriers to the large scale commercialization of silicon-containing batteries. Nanoscale Advances, 2 (10), 4368–4389. doi: http://doi.org/10.1039/d0na00589d
  7. Jiang, T., Yang, H., Chen, G. Z. (2022). Enhanced Performance of Silicon Negative Electrodes Composited with Titanium Carbide Based MXenes for Lithium-Ion Batteries. Nanoenergy Advances, 2 (2), 165–196. doi: http://doi.org/10.3390/nanoenergyadv2020007
  8. Jaumann, T., Gerwig, M., Balach, J., Oswald, S., Brendler, E., Hauser, R. et. al. (2017). Dichlorosilane-derived nano-silicon inside hollow carbon spheres as a high-performance anode for Li-ion batteries. Journal of Materials Chemistry A, 5 (19), 9262–9271. doi: http://doi.org/10.1039/c7ta00188f
  9. Petrov, S. V. (2021). Innovatcionnye plazmenno-struinye tekhnologii. LAMBERT Academic Publishing, 112.
  10. Zhang, X., Wang, Y., Min, B.-I., Kumai, E., Tanaka, M., Watanabe, T. (2021). A controllable and byproduct-free synthesis method of carbon-coated silicon nanoparticles by induction thermal plasma for lithium ion battery. Advanced Powder Technology, 32 (8), 2828–2838. doi: http://doi.org/10.1016/j.apt.2021.06.003
  11. Shigeta, M. (2018). Numerical Study of Axial Magnetic Effects on a Turbulent Thermal Plasma Jet for Nanopowder Production Using 3D Time-Dependent Simulation. Journal of Flow Control, Measurement & Visualization, 6 (2), 107–123. doi: http://doi.org/10.4236/jfcmv.2018.62010
  12. Shigeta, M., Hirayama, Y., Ghedini, E. (2021). Computational Study of Quenching Effects on Growth Processes and Size Distributions of Silicon Nanoparticles at a Thermal Plasma Tail. Nanomaterials, 11 (6), 1370. doi: http://doi.org/10.3390/nano11061370
  13. Petrov, S., Korzhyk, V. (2016). Plasma Process of Silicon Production for Photovoltaic Power Generation. Engineering and Technology, 3 (5), 74–88.
  14. Petrov, S. V. (2013). Plazmotronnaia tekhnika. Etapy razvitiia. Svarshchik, 3 (43), 26–31.
  15. Tekna Plasma Systems Inc. Available at: http://tekna.com/
  16. Astashov, A. G. (2016). Raspredelenie plotnosti teplovykh i massovykh potokov v plazmennom reaktore s ogranichennym struinym techeniem v protcessakh polucheniia nanoporoshkov. Moscow: IMET RAN, 104.
  17. Tcvetkov, Iu. V., Samokhin, A. V., Alekseev, N. V., Astashov, Iu. V., Sinaiskii, M. A., Kirpichev, D. E., Fadeev, A. A. (2018). Poluchenie poroshkov v plazmennykh reaktorakh na baze elektrodugovogo plazmotrona. Institut metallurgii materialovedeniia im. A. A. Baikova RAN – 80 let. Moscow: Interkontakt Nauka, 437–450.
  18. Choi, S., Lee, H., Park, D.-W. (2016). Synthesis of Silicon Nanoparticles and Nanowires by a Nontransferred Arc Plasma System. Journal of Nanomaterials, 2016, 1–9. doi: http://doi.org/10.1155/2016/5849041
  19. Astashov, A. G., Samokhin, A. V., Alekseev, N. V., Litvinova, I. S., Tsvetkov, Y. V. (2018). Heat and mass transfer in confined jet plasma reactor with peripheral vortex flow. Journal of Physics: Conference Series, 1134, 012004. doi: http://doi.org/10.1088/1742-6596/1134/1/012004
  20. Jiayin, G., Xiaobao, F., Dolbec, R., Siwen, X., Jurewicz, J., Boulos, M. (2010). Development of Nanopowder Synthesis Using Induction Plasma. Plasma Science and Technology, 12 (2), 188–199. doi: http://doi.org/10.1088/1009-0630/12/2/12
  21. TP-40020NPS Thermal Plasma Nanopowder Synthesis System. Available at: https://www.jeol.co.jp/en/products/detail/TP-40020NPS.html
  22. Volchkov, E. P. (1983). Pristennye gazovye zavesy. Novosibirsk: Nauka, 240.
  23. Repukhov, V. M. (1980). Teoriia teplovoi zashchity stenki vduvom gaza. Kyiv: Naukova dumka, 216.
  24. Schreuders, C., Leparoux, M., Shin, J.-W., Miyazoe, H., Siegmann, S. (2005). Quenching design for plasma synthesis of nanoparticles. Available at: https://www.researchgate.net/publication/265159448
  25. Pashchenko, V. N. (2016). Primenenie vneshnego magnitnogo polia dlia formirovaniia gazoporoshkovogo potoka pri plazmennom nanesenii pokrytii. Almanakh sovremennoi nauki i obrazovaniia, 7 (85), 102–106.
  26. Sato, T., Shigeta, M., Kato, D., Nishiyama, H. (2001). Mixing and magnetic effects on a nonequilibrium argon plasma jet. International Journal of Thermal Sciences, 40 (3), 273–278. doi: http://doi.org/10.1016/s1290-0729(00)01217-5

##submission.downloads##

Опубліковано

2022-06-27

Як цитувати

Петров, С. В., Бондаренко, С. Г., & Sato, K. (2022). Розгляд можливості багатомасштабного плазмо-хімічного виробництва нанокремнію для літій-іонних батарей. Technology Audit and Production Reserves, 3(3(65), 6–14. https://doi.org/10.15587/2706-5448.2022.259066

Номер

Том 3 № 3(65) (2022): Хімічна інженерія

Розділ

Хіміко-технологічні системи: Оригінальне дослідження

Ліцензія

Авторське право (c) 2022 Stanislav Petrov, Serhii Bondarenko, Koichi Sato

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.