התקדמות באנודים ליתיום-סיליקון למכשירים לאחסון אנרגיה בעלות יכולת גבוהה יותר

כביקוש למכשירי אחסון באנרגיה בעלי יכולת גבוהה, מעצימות על פני מוצרי אלקטרוניקה צרכניים, כלי רכב חשמליים ואחסון בקנה מידה רשת, החוקרים הופכים את המיקוד שלהם כדי לשפר את חומרי השבר בתוך סוללות ליתיום-יון במשך עשרות שנים, גרפן היה חומר סיליקון עבודה בגודל 10, המציע יכולת סיליקון צנועה ורכיבה יציבה.עם זאת, יכולת תיאורטית של 372 מ"מ"מ"מ"מ"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-

ההבטחה של זוועות הסיליקון

קיבולת האחסון הליתיום יוצאת הדופן של הסיליקון עולה מיכולתה ליצור ⁇ ליתיום עשירית, LicioFLT:0 [15FLT:1SiphFLT:2403FLT:3, בטמפרטורת החדר.במהלך טעינה, ליתיום סיגנל:0 סיליקון מוסיף לתוך סיליקון סיליקון, מה שגורם לחומר להתרחב עד 300% בנפח זה הוא שינוי משמעותי, אך מאפשר קיבולת מכנית לחץ חשמלי יציבה יותר, אך ורק על פני סיליקון.

למרות האתגרים הללו, ההבטחה של דחיסות אנרגיה של סוללות או מרופדת הובילה למחקר אינטנסיבי.אפילו תחליף חלקי של גרפיט עם סיליקון - למשל, הוספת 5-20% סיליקון ל anode מורכב - יכול להגביר את היכולת על ידי 30-50% תוך שמירה על מחזור חיים מקובל. סיליקון מלא ארס, אם הוא הבין, יכול לאפשר כלי רכב חשמליים עם טווחים של מעל 500 מיילים על מטען יחיד וסמארטפונים כי צריך רק כמה ימים.

תוצאות חיפוש ב- Li-Si Anode Technology

בחמש השנים האחרונות, החוקרים התקדמו בהתקדמות יוצאת דופן בהתמודדות עם חולשות היסוד של סיליקון.ההתקדמות הזו משתרעת על אסטרטגיות מרובות, מ nanostructuring להנדסת מורכבות ונוסחאות אלקטרוליטנטיות מתקדמות.

עקבו אחרי Mechanical Resilience

אחת הגישות המשפיעות ביותר הייתה השימוש במורולוגיות הסיליקון המובנות על ידי צמצום גודל חלקיקים סיליקון לגודל ננומטר, הלחץ המכאני מהתרחבות נפח הם יותר מתאימים.סיליקון ננווטים, למשל, יכול להרחיב ולכווץ באופן מקרי ללא קליפת סיליקון, כפי שהוכח בעבודה חלוצת באוניברסיטת סטנפורד.

Silicon-Carbon Composites ואדריכלות היברידית

במקום להסתמך על סיליקון טהור, מאמצי מסחר ומחקר רבים להתמקד על תרכובות פחמן פחמן פחמן.חומרים אלה משלבים את היכולת הגבוהה של סיליקון עם החזק מכני ו מוליכות של פחמן. Graphite-silicon כבר מופיעים בחלק סוללות אלקטרוניקה צרכנית.חומרים מתקדמים יותר משתמשים גרפן או צינורות פחמן כמו פיגרעות התנהגותיות כי גם סגסוגת חיץ.

Binder ו- Electrolyte Innovations

כונני פוליווינילidene fluoride (PVDF) הם מדיי לב כדי להתאים את השינויים בנפח הסיליקון. כימאים חדשים - כולל חומצה פוליקלית (PAA), alginate, ומוליכים פוליפוליפוליפודים - יוצרים רשתות אלסטיות המכילות חלקיקים סיליקון יחד באמצעות מחזורי הרחבה קיצוניים. במקביל, ניסוחים אלקטרוליטיים כבר אופטימיזציה ליצור יציב וגמיש יותר, כגון חומצות פחמן-ליבות (S) שיפור פחמן-חומצה גבוהה (Straen) ו-חומצה פוליאופטית)

אסטרטגיות קדם

בעיה קריטית עם סיליקון aodes היא הצריכה של ליתיום מן הקטואדה במהלך המחזורים הראשונים למעטים עקב היווצרות SEI. זה "אובדן מחזור ראשון" להפחית את צפיפות האנרגיה המעשית של תא מלא. Prelitation - בכוונה הוספת ליתיום נוסף ללחיצת השבר לפני התא - פיצוי על הפסד זה.טכניקה כוללת מגע ישיר עם מתכת, אלקטרוכימיזציה, או שימוש בתהליכים טרום-דלקתיים אלה נעשה שימוש בתהליכים מתקדמים יותר.

מודלים מתקדמים ומודלים Computational Modeling

הבנת בדיוק איך סיליקון מתנהג במהלך רכיבה על אופניים כבר מואצת על ידי טכניקות של החלפת ואופרהנדו. Transmission אלקטרוני microscopy (TEM) בתוך תא אלקטרוכימי חשף סדקים בזמן אמת ו amorphization. X-ray diffraction ו resonance מגנטית גרעינית (NMR) בתוך תא אלקטרו-כימייבית מודלים - באמצעות תאוריה פונקציונלית (DFT) ולמידה - עכשיו מקצרת את הציפוי הצמיגים אופטימליים וסגנונות הפיתוח.

הרחבת נפח: פתרונות מכניים ופרקטיים

האתגר המרכזי של סיליקון שרידים ניהול שינוי נפח מסיבי במהלך הליטציה והדהה. בעוד ננוורטורינג מסייע, זה חייב להיות משולב עם הנדסה ברמת אלקטרודה לייצר תאים מסחריים קיימא.

« « « ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

Binders שיכולים למתוח ולהחלים הם קריטיים.חוקרים פיתחו כוויות בהשראת רקמות ביולוגיות, באמצעות רשתות מימן-מובעות אשר פורצות באופן בלתי הפיך ורפורמה.לדוגמה, כורה המבוסס על פולי(אתילן גליקול)-co-poly(acrylic acid) עם אג"ח דינמי של דיסקרטי דיספטי יכול להיות מיקרו-קליים עצמיים במהלך רכיבה על אלקטרו-ד כזה על קיבולת מינימלית של 500.

אוספים נוכחיים פוריים ו- 3D Architectures

במקום לציפוי לסכל נחושת שטוח עם סיליקון, אספנים תלת מימדיים - כגון קצף מתכת, נייר פחמן או נחושת חרטה - לספק שטח משטח יותר שטח שטח שטח שטח שטח ונפח ריק.סיליקון מופקד או מחדור לתוך מבנים אלה, ומאפשר הרחבה לתוך הנקבוביות. עיצוב זה גם מקצר מסלולי דיפוזיה, המאפשר טעינה מהירה יותר עם ציפוי פחמן, 3 אלקטרוD אלה הוכחו על ידי יכולות אלקטרודות תחרותיות.

Yolk-Shell and Pomegranate Structures

עיצוב היול-shell שהוזכר קודם לכן כבר מעודן מבנים "מפומיטריים" - אשכולות של חלקיקים סיליקון כל מחלחלים בפגז פחמן אינדיבידואלי, ולאחר מכן מצטבר לתוך מיקרוספירות גדולות יותר. עיצוב היררכי זה מספק רמות מרובות של חלל ריק: בתוך כל פגזים ו בין הקליפות.

המונחים: Stress-Relieving Coatings

פיזור שכבת אטומי (ALD) ושכבת מולקולרית (MLD) שימשו כדי ליישם ציפוי דק, קונפורציות של אלומיניום, טיטניה, או alucone על חלקיקים סיליקון. ציפויים אלה פועלים כמו שכבות SEI מלאכותיות להישאר שלם במהלך הרחבה, צמצום זיהום אלקטרוליטי ושיפור יעילות קומולבית ליותר מ 99.5%.

אתגרים ייצור ו Scalability

גם עם הצלחות בקנה מידה מעבדה, תרגום טכנולוגיית סיליקון לייצור המוני אינו פשוט.תעשיית הסוללה היא מאוד רגישה עלות, וכל חומר אגד חדש חייב להיות תואם ציפוי סלורי קיים, יבשה, וקווי ייצור תאים.

עלויות ושרשרת אספקה

הסיליקון שופע וזול, אבל ננוור מוסיף עלויות עיבוד.שיטות כמו פיזור כימי, כדור מנקה, ותחריט דורש אנרגיה וציוד הון. להיות רווחי, יצרני סיליקון חייב להשיג תשואה גבוהה ולוחץ. כמה חברות, כגון Sila ננולוגים ו Amprius, פיתח תהליכים קנייניים לטעון לענות על הקריטריונים האלה.

טיהור אלקטרודה וייבוש

לוחות הסיליקון הם יותר מולקווס ודורשים שליטה זהירה של evaporation פותרים.שטח פני השטח הגבוה של סיליקון nanostructured יכול מלכודות פותרים, המוביל לחות שאריות אשר גורם לתגובות צדדיות.ייבוש חייב להיעשות לאט או עם חימום אינפרא אדום כדי למנוע סדקים.בנוסף, אלקטרודה calendering (מדכא) חייב להיות מותאם כדי למנוע מבנים עדינים.

תאימות עם עיצובים קיימים

רוב מחקר סיליקון שוחק נערך בחצי תאים נגד מתכת ליתיום, אבל תאים מלאים יחד עם קדומים ניקנל גבוהה (NMC, NCA) מציג אתגרים נוספים. ss הסיליקון סובלים מאובדן מלאי ליתיום, אשר ניתן להפחית על ידי דלקת טרום-ליטציה או באמצעות חומרים קטודה עם ליתיום עודף.

כיוונים עתידיים ו-Outlook

הדרך לאימוץ סיליקון נרחב הופכת להיות ברורה יותר כמו קווי טייס ומוצרים מסחריים מוקדמים להיכנס לשוק.הדור הראשון של מוצרים משתמש בפחות מ-10% סיליקון מעורבב עם גרפן. הדור הבא של הדור הבא ידחוף תוכן סיליקון ל -30-50% בעיצובים מורכבים בסופו של דבר, ליד סיליקון סיליקון עם ארכיטקטורות מתקדמות יכול להיות קיימא.

סולידריות המדינה בטריקים עם סיליקון

אלקטרוליטים Solid-state, במיוחד sulfide- ו- oxide מבוסס, עשויים להציע יתרון טרנספורמטיבי עבור סיליקון aodes. כי אלקטרוליטים היברידיים הם נוקשים מבחינה מכנית, הם יכולים לדכא את הצמיחה של ליתיום dendrites וגם לעמוד בלחץ מהתרחבות סיליקון. מחקר מוקדם משלב סיליקון עם אלקטרוליטים מוצק הראו אופניים יציב מעל 500 עם, בין היתר, בין היתר, בין השאר, אובדן אלקטרו-מריקני, או מדבקה, עשוי לשנות את האלקטרואקטיבי.

שחקני תעשייה והפקה של טייס

(ב) כמה חברות מובילות את המטען לקראת המסחר: FLT:0reaFLT ( 1Sila Nanotechnologies) 1Sila NanotechnologiesFLT:203FLT 3) פיתחה חומר סיליקון-הטבעה שהוא מספק עבור אלקטרוניקה צרכנית, עם שותפויות רכב במקום.FLT:5priusFLT:6 LT 7RNRE, 000) סיליקון ייצור סיליקון גדול ו-FLTNVD.

המונחים: review Frontiers

למרות ההתקדמות, שאלות בסיסיות נשארות.מנגנוני הכישלון המדויקים של סיליקון תלויים בגודל חלקיקים, גבישי וכימיה אלקטרוליטית.פיתוח מודל מאוחדת המנבא חיים בתנאים של רכיבה על אופניים בעולם האמיתי הוא אזור פעיל.גבול אחר הוא התפתחות של "חכם" כי הפחתה עצמית באמצעות חתימה אלקטרו-כימית.

השלכות על אחסון אנרגיה וקיימות

בהצלחה פריסת אידויים ליתיום-סיילייקון יהיו השפעות עמוקות על הנוף האנרגיה.בהובלת כלי רכב חשמליים יכולים להשיג טווחים של 500-600 קילומטרים ללא עלייה במשקל או נפח הסוללה.זה יתייחס לדאגות מפתח הצרכנים ויאץ אימוץ EV.עבור אחסון ברשת, צפיפות אנרגיה גבוהה יותר פירושה טביעת רגל קטנה יותר והפחתה של עלויות איזון, מה שהופך אינטגרציה מתחדשת יותר יכול לראות שיפורים דרמטיים בחיים, המאפשרים של סוללות חדשות, ובכך להפחית את גורמי התדרים.

מנקודת מבט קיימת, סיליקון הוא בשפע וסביבתי שפיר בהשוואה לקורט או מתכות קריטיות אחרות.החלפת גרפן עם סיליקון עשויה גם להפחית את טביעת הרגל של ייצור סוללות, כמו כריית גרפיטי ועיבוד יש השפעות סביבתיות משמעותיות. עם זאת, הסינתזה של סיליקון רווי אנרגיה חייב להיות כבוי על ידי חיי סוללה ארוכים יותר כדי לממש יתרונות סביבתיים.

לבסוף, צפיפות האנרגיה המוגברת מאבני סיליקון יכולה לאפשר יישומים שהיו בעבר לא מעשיים, כגון תעופה חשמלית, משאיות כבדות ומחסנים ארוכי טווח של הסוכנות האמריקנית לפרויקטים מתקדמים של מחקר - אנרגיה (ARPA-E) מממנת פרויקטים רבים מיקוד 500 תאים Wh/kg באמצעות סיליקון, עם קווי זמן שאפתניים לבדיקת מאמצים אלה, אם יצליחו, המהפכה לא תהיה מופעלת על ידי סיליקון קטן.

בעוד המחקר ממשיך להתמודד עם האתגרים הטכניים והייצור שנותרו, הפריסה המסחרית של אגדות ליתיום-סליקון אינה עניין של אם, אבל כאשר העשור הבא כנראה יראה מעבר הסיליקון מסקרנות מעבדה לחומר סוללות מרכזי, המאפשר את היכולת הגבוהה יותר ואת החיים ארוכים יותר שהעולם דורש יותר ויותר.