Калі графітавыя аноды набліжаюцца да сваёй тэарэтычнай мяжы ёмістасці, хто стане «энергетычным рухавіком» літыевых батарэй наступнага пакалення? З ультравысокай удзельнай ёмістасцю 1800 мАг/г, крэмніева-вугляродны анод паскараецца ад лабараторных даследаванняў да маштабнай індустрыялізацыі — гэта не проста мадэрнізацыя матэрыялаў, а рэвалюцыя ў шчыльнасці энергіі.
Асноўныя тыпы анодных матэрыялаў і тэхнічныя характарыстыкі
Графітавыя аноды
Натуральны графіт
- АсаблівасціТэарэтычная ёмістасць 340–370 мАг/г, нізкі кошт, але нізкая пачатковая кулонаўская эфектыўнасць (~80%) і рызыка сумеснай інтэркаляцыі растваральніка, што прыводзіць да структурнага адслойвання.
- УжываннеУ асноўным у бытавой электроніцы (3C).
Штучны графіт
- АсаблівасціАтрымліваецца шляхам графітызацыі нафтавага коксу/ігольчастага коксу пры высокіх тэмпературах (2800°C). Аднастайная структура, тэрмін службы >2000 цыклаў, пачатковая эфектыўнасць >90%.
- УжываннеАкумулятары сілкавання (больш за 70% аноднага рынку).
Аноды на аснове крэмнію
Тэхнічныя маршруты:
- Крэмніева-вугляродны анодНаначасціцы крэмнію, убудаваныя ў вугляродную матрыцу, ёмістасць 400–600 мАг/г, аб'ёмнае пашырэнне зменшана да 30% (у параўнанні з 300% для чыстага крэмнію).
- Аксідна-крэмніевы анод (SiOx)Кампазіт з субаксіду крэмнію з графітам, ёмістасць 450–500 мАг/г, пашырэнне аб'ёму <50%, лепшыя цыклічныя характарыстыкі.
ПеравагіТэарэтычная ўдзельная ёмістасць 4200 мАг/г (10× графіт), выдатная хуткая зарадка, багатыя рэсурсы.
Вытворчыя працэсы і асноўныя тэхналогіі
Вытворчасць штучнага графіту
ПрацэсДрабненне сыравіны → механічнае фрэзераванне → грануляцыя/пакрыццё → графітызацыя пры высокай тэмпературы → прасейванне і фармаванне
Асноўныя крокі:
- ДрабненнеРазламаць нафтавы кокс на прыдатныя памер часціц.
- ГрануляцыяДрабніць да другасных часціц, аднастайнага парашка (6–10 мкм).
- ГрафітызацыіПераўтварэнне атамаў вугляроду ў ўпарадкаваныя крышталічныя структуры графіту.
Вытворчасць крэмніевых анодаў
ПрацэсКрыніца крэмнію → тэрмічнае раскладанне → аморфны нанакрэмній + порысты вугляродны шкілет → крэмній-вуглярод з паравой фазы → вугляроднае пакрыццё, атрыманае метадам CVD
Асноўныя крокі:
- Нанапамеры крэмнію: Шаравой млын/ультрагукавая дысперсія да <100 нм.
- Кампазітнае пакрыццёCVD-пакрыццё вугляродам, легіраванне графенам для падаўлення пашырэння аб'ёму.
- Структурнае праектаваннеПорысты крэмній, архітэктура ядро-абалонка для павышэння праводнасці.
Тэхнічныя праблемы і прарыўныя напрамкі
Пашырэнне вялікіх аб'ёмаў
- Крэмній пашыраецца больш чым на 3001 TP3T падчас цыклавання, што прыводзіць да здрабнення часціц і паломкі электрода.
- Высокае ўтрыманне крэмнію (>15%) пагаршае праблему, абмяжоўваючы практычнае прымяненне. Бягучае ўтрыманне звычайна падтрымліваецца ніжэй за 10%.
Нізкі пачатковы кулонаўскі каэфіцыент эфектыўнасці (НПК)
- Паўторнае ўтварэнне плёнкі SEI на крэмніі спажывае іёны літыя. ICE толькі 70%–85% (у параўнанні з >95% для графіту).
Высокія выдаткі
- Кошт крэмній-вугляроднай апрацоўкі метадам CVD складае ~500 000 ¥/тона (у параўнанні з 20 000 ¥/тона для штучнага графіту).
- Асноўныя прычыны: высокі кошт порыстага вугляроду (на аснове смалы да 500 000 ¥/тона) і сілану (~ 100 000 ¥/тона), а таксама складаныя і небяспечныя працэсы.
Няспелыя дапаможныя матэрыялы
- Звязальныя рэчывы і электраліты, якія выкарыстоўваюцца ў цяперашні час, дрэнна падыходзяць для высокага пашырэння крэмній-вугляродных цеплавых сумесяў, таму патрабуюцца індывідуальныя рашэнні.
Напрамкі інавацый для крэмніевых вугляродных анодаў
1. Інавацыі ў структурным праектаванні
- Порысты вугляродны шкілет + CVD-асаджэнне: нанакрышталічны крэмній (5–10 нм) асядае ўнутры пор, памяншаючы пашырэнне.
- СправаСферычны крэмній-вугляродны матэрыял з палепшанай трываласцю на сціск (у 3–5 разоў вышэй), маршчыністая паверхня для лепшага змочвання электралітам; прадукты 6-га пакалення дасягнулі пашырэння <20%, тэрміну службы >1000 цыклаў, ICE >90%.
2. Аптымізацыя працэсаў
- Мадэрнізацыя CVDПавелічэнне магутнасці з 20 кг да 100 кг на печ, лакалізацыя абсталявання і серыйныя вытворчыя лініі (стабільныя ўстаноўкі магутнасцю 5000 тон, новыя лініі магутнасцю больш за 10 000 тон у год). Сярэдні кошт па галіны зніжаны да ~220 000 ¥/тона.
- Прарывы да літыяцыіВыкарыстоўваючы кампазітныя плёнкі SEI LiF–Li₂C₂O₄, ICE палепшыўся з 75% да 88% (блізка да графітавага 95%), прычым 50% меў меншае міжфазнае супраціўленне.
3. Бенчмаркінг прадукцыйнасці
- Аптымізаваны крэмній-вугляродны акумулятар, атрыманы метадам CVD: удзельная ёмістасць 1800–2000 мАг/г, тэрмін службы >1000 цыклаў, кантраляванае пашырэнне электрода пры 25%–27%.
- Прадукцыйнасць значна пераўзыходзіць звычайныя SiOx аноды (ёмістасць ~1500 мАг/г, ICE 75%–80%).
Эпічны парашок
Паколькі крэмніева-вугляродныя аноды спрыяюць наступнаму скачку ў шчыльнасці энергіі літыевых батарэй, перадавая апрацоўка матэрыялаў стала ключом да індустрыялізацыі. Epic Powder, маючы вопыт у галіне ультратонкага драбнення, шаровага млына і тэхналогій класіфікацыі парашкоў, прапануе індывідуальныя рашэнні па абсталяванні для падрыхтоўкі нанакрэмніевых і высокапрадукцыйных вугляродных кампазітаў, адкрываючы шлях для маштабаванай, эканамічна эфектыўнай і надзейнай вытворчасці крэмніева-вугляродных анодаў.