Текущее состояние и оценка тестов на расширение рынка кремниевых анодов
Статус рынка
С бурным развитием новой энергетической отрасли литий-ионные батареи постепенно развиваются в направлении более высокой плотности энергии и более длительного срока службы. Теоретическая граммовая емкость существующего графитового отрицательного электрода составляет всего 372 мАч/г, что больше не может удовлетворить спрос на плотность энергии батареи в будущем. Благодаря своей высокой теоретической емкости в граммах, богатому содержанию и высокому потенциалу интеркаляции лития, отрицательные электроды на основе кремния постепенно стали материалами для отрицательных электродов литиевых батарей следующего поколения, которые могут заменить графит.
В настоящее время основными направлениями развития материалов на основе кремния являются кремнийуглеродные композиты и кремнийкислородные композиты. Кремний-углеродный материал представляет собой простой кремний в качестве матрицы, а затем смешивается с углеродными материалами, кремний-кислородный материал изготавливается путем газофазного осаждения элементарного кремния и диоксида кремния (SiO2) при высокой температуре, так что наночастицы кремния равномерно распределяются в среда диоксида кремния для получения оксида кремния (SiO), а затем смешивается с углеродными материалами.
По данным ГГИИ, в 2021 году будет отгружено около 11 000 тонн анодов на основе кремния после рекомбинации. По сравнению с отгрузкой 740 000 тонн анодов, скорость проникновения составляет всего 1,5%, в 2022 году объем отгрузки отрицательных электродов на основе кремния вырастет до 16 000 тонн после рекомбинации. Прогнозируется, что в 2023 году отгрузка отрицательных электродов на основе кремния после компаундирования превысит 27 000 тонн, а темпы роста компаунда в следующие три года превысят 60%. В настоящее время отрицательные электроды на основе кремния в основном используются в области электромобилей (представлены Японией и США) и электроинструментов (представлены в основном Южной Кореей). С 2020 года в потребительских цифровых и носимых продуктах начнет формироваться тенденция постепенного применения. В последние годы, компании по производству аккумуляторных батарей, представленные Тесла, расширяют применение кремниевых материалов, а последующие 4680 больших цилиндров ускорят применение материалов отрицательного электрода на основе кремния. В таблице 1 показан прогресс в применении анодов на основе кремния в крупных автомобильных компаниях и на заводах по производству аккумуляторов.
Таблица 1. Ход применения автомобильными компаниями и аккумуляторными заводами анодов на основе кремния
Автокомпании/ Аккумуляторные заводы | График | Конкретный прогресс | |
Тесла | 2017 | Тесла использует аккумулятор Панасоник 21700. Материал отрицательного электрода представляет собой материал на основе 10% кремния (оксид кремния), добавленный к искусственному графиту. Его емкость превышает 550 мАч/г, а плотность энергии аккумулятора может достигать 300 Вт·ч/кг. | |
ПКК | 2021 | Компания ПКК выпустила один аккумуляторный элемент с использованием технологии губчатого силиконового отрицательного аккумулятора. Плотность энергии аккумуляторной батареи превышает 280 Втч/кг, а запас хода превышает 1000 км. ПКК Аян LX, оснащенный этой батареей, будет запущен в серийное производство в течение этого года. | |
ДЕВЯТЬ | 2021 | В январе 2021 года НИО выпустила аккумуляторную батарею на 150 кВтч. НИО ES8, оснащенный этим твердотельным аккумуляторным блоком, будет иметь запас хода 730 километров, а максимальный запас хода достигнет 910 километров. Поставка начнется в четвертом квартале 2022 года, в котором отрицательный электрод изготовлен из гомогенного покрытия и неорганического предварительно литированного кремний-углеродного композитного материала отрицательного электрода. | |
В | 2022 | Что касается времени автономной работы, Я L7 оснащен стандартной батареей емкостью 93 кВтч с запасом хода 615 км. В высококлассной конфигурации используется батарея емкостью 118 кВт·ч и применяется технология добавления лития, легированного кремнием, которая позволяет достичь удельной энергии в 300 Вт·ч/кг. Срок службы батареи NEDC составляет около 1000 км. Ожидается, что L7 будет доставлен в первой половине 2022 года, а кремниево-угольные анодные батареи появятся на рынке в ближайшие 5 лет. | |
Бенц | 2025 | В 2025 году Мерседес-Бенц применит новое поколение аккумуляторов с высокой плотностью энергии в модели G-класса. При использовании отрицательных электродов на основе кремния плотность энергии на 20-40% выше, чем у современных графитовых отрицательных электродов, батарея предоставлена Нинде раз, а материал анода - от стартапа Сила Нано из Калифорнии. | |
CATL | 2021 | В 2020 году мы будем совместно разрабатывать"литиевая батарея, легированная кремнием"технология с ИМ; в 2021 году мы можем поставить твердотельную батарею НИО мощностью 150 кВтч, в которой используется кремний-углеродный отрицательный электрод неорганического процесса предварительного литиирования. | |
МИР | 2022 | В 2022 году он будет стратегически инвестировать в проект Доу Технологии по производству кремний-углеродных анодных материалов стоимостью более 6 миллиардов долларов; в то же время она заявила, что имеет технические резервы и использует материалы на основе кремния в качестве анода твердотельных аккумуляторов, а плотность энергии ожидается на уровне 400 Втч/кг. | |
Готион | 2021 | В январе 2021 года Готион официально выпустила литий-железо-фосфатный аккумулятор в мягкой упаковке с плотностью энергии 210 Втч / кг и заявила, что впервые успешно применила кремниевые материалы отрицательного электрода в химической системе литий-железо-фосфат. | |
ЛИШЕН | 2017 | В 2017 году реализовал национальный проект"Исследования технологии разработки и промышленного производства литий-ионных аккумуляторов с высокой удельной плотностью энергии» и завершили разработку одной аккумуляторной батареи с плотностью энергии 260 Втч/кг, а коэффициент сохранения емкости достиг 83,28% после 350 циклов. В аккумуляторе используется кремний. -углеродный композит. | |
Панасоник | 2017 | Тесла использует аккумулятор Панасоник 21700. Материал отрицательного электрода представляет собой материал на основе 10% кремния (оксид кремния), добавленный к искусственному графиту. Его емкость превышает 550 мАч/г, а плотность энергии аккумулятора может достигать 300 Вт·ч/кг. | |
Самсунг СДИ | 2021Год | В 2021 году планируется запуск батареи второго поколения на основе кремния с анодом с содержанием кремния 7%, а в 2024 году ожидается выпуск батареи третьего поколения с содержанием кремния 10%. | |
Оценка испытаний на расширение
Проблема расширения отрицательных электродов на основе кремния является самым большим препятствием для применения кремний-углеродных отрицательных электродов в широком диапазоне. Огромное изменение объема, вызванное расширением, с одной стороны, вызовет накопление внутреннего напряжения электрода, что приведет к измельчению электрода, снижению производительности цикла и безопасности батареи, с другой стороны, изменение объема также требует многократного формирования пленки СЭИ отрицательного электрода, что приводит к потере активного источника лития и снижает первую кулоновскую эффективность. Механизм накопления лития отрицательного электрода на основе кремния представляет собой накопление лития в сплаве. В отличие от интеркаляции графита и интеркаляции лития, частицы кремния будут вызывать огромное объемное расширение и сжатие в процессе легирования/удаления сплава,15И4фаза, соответствующее максимальное расширение объема может достигать 300%; добавление атомов кислорода ограничивает глубину реакции кремний-кислородного отрицательного электрода. Хотя скорость расширения может быть снижена до 120%, она все же намного больше, чем 10-12% графитового отрицательного электрода. Огромное объемное расширение приведет к измельчению частиц кремниевого материала, что ухудшит электрический контакт между частицами кремния и проводящим агентом; во-вторых, это приведет к непрерывному разрыву и регенерации пленки СЭИ. Этот процесс будет потреблять большое количество активного лития и электролита, тем самым ускоряя снижение емкости и старение батареи.
Как точно охарактеризовать толщину расширения анодных батарей на основе кремния в различные моменты времени в процессе зарядки и разрядки, является серьезной трудностью, которая преследует заводы по производству материалов и аккумуляторов. В настоящее время методы расширения для измерения масштаба полюсного наконечника и Шкала батареи в основном включает измерение микрометра, измерение толщины пленки, измерение лазерного толщиномера, а также измерение производственной оснастки и датчика давления. Исследователи изХэфэйКомпания Готион Высокий-технология Власть Энергия Ко., ООО..использовал Немецкий махр Миллимар C1216 для изучения влияния связующего на расширение отрицательных электродов литий-ионных аккумуляторов.[1]. Исследователи из Университета Цинхуа использовали лазерное измерение толщины для изучения деформации полюсных наконечников и элементов мягкой батареи.[2]. Школа ЭнергииСучжоуУниверситетсотрудничал с исследователями Нинде Новый Энергия и использовал самодельное тестовое устройство с датчиком давления для проверки силы расширения карманной батареи во время зарядки и разрядки при постоянном зазоре. Используемое устройство показано на рисунке 1.[3].
Рис. 1. Настройка стресс-теста расширения
Среди вышеперечисленных методов испытание на месте нельзя проводить с использованием микрометра, толщиномера пленки или лазерного толщиномера для измерения толщины расширения полюсного наконечника. Аккумулятор необходимо разбирать после зарядки и разрядки и брать разные точки для измерения, это вызовет большие отклонения в результатах и не сможет точно отразить изменения толщины полюсного наконечника в процессе заряда и разряда. Метод установки инструмента с датчиком давления может только измерять силу расширения батареи при постоянном зазоре, но не может измерять толщину расширения батареи в реальном времени. Чтобы более точно измерить изменение толщины материала отрицательного электрода на основе кремния в процессе заряда и разряда, можно наблюдать толщину и состояние полюсного наконечника или батареи на месте с помощью оптического микроскопа[4].
Основываясь на реальных требованиях к испытаниям отрицательных электродов на основе кремния, а также преимуществах и недостатках различных методов испытаний, ИЭСТ независимо разработала систему анализа набухания на месте (SWE2110, ИЭСТ) и скрининг быстрого набухания на месте для анода на основе кремния. (RSS1400, ИЭСТ). Он использует модельные таблеточные элементы для проведения испытаний на распухание на месте на уровне полюсного наконечника, в то же время испытание на растяжение на месте можно проводить на пакетных батареях определенной толщины, что не только удобен в эксплуатации, но и значительно экономит стоимость испытаний и сокращает цикл оценки расширения материала на основе кремния с первоначальных десятков дней до 1-2 дней. Физическая картина RSS1400 показана на рисунке 2(a).
Рис. 2. (а)Скрининг быстрого набухания на месте для анода на основе кремния (RSS1400, ИЭСТ)
(b) Сравнение набухания материалов карбид кремния с тремя различными структурными конструкциями.
Краткое содержание
С быстрым развитием литий-ионных аккумуляторов охват приложений и доля рынка материалов для отрицательных электродов на основе кремния также увеличиваются с каждым годом. Расширение отрицательных электродов на основе кремния является ключевым фактором, препятствующим его быстрому развитию, эффективный мониторинг модификации текущего подавления расширения материала и расширения клеточного слоя также находится в центре внимания развития отрасли, серия ИЭСТ RSS - скрининг быстрого набухания на месте для Анод на основе кремния - это специализированное оборудование, разработанное для контроля расширения материалов на основе кремния, его можно комбинировать с уровнем полюсного наконечника, чтобы быстро реализовать быструю оценку различных материалов, модифицированных процессом, которые можно использовать в качестве эффективного средства для материала. разработка и контроль поступающего материала.
Справочная литература
[1] Он Юю, Чен Вэй, Фэн Дэшэн, Чжан Хунли Влияние связующего вещества на набухание отрицательного электрода литий-ионной батареи [J] Батарея, 2017, 47(03):169-172.
[2] Чжан Чжэндэ. Исследование деформации литий-ионных аккумуляторов в гибкой упаковке [D]. Университет Цинхуа, 2012 г.
[3] Ню Шаоцзюнь, Ву Кай, Чжу Гобин, Ван Янь, Цюй Цюньтин, Чжэн Хунхэ Напряжение расширения отрицательного электрода на основе кремния в литий-ионной батарее во время циклирования [J]. Наука и технология накопления энергии, 2022, 11 ( 09):2989-2994.
[4] Цзиньхуэй ГАО, Инлун C, Фаньхуэй M, эт все. Исследование оптического микроскопа на месте в литий-ионных батареях [J]. Наука и техника хранения энергии, 2022, 11(1): 53.