На современном рынке потребительской электроники растет спрос со стороны потребителей на легкие и долговечные продукты. От смартфонов до носимых устройств, продукты, которые одновременно тонкие и портативные с длительным сроком службы батареи, пользуются большим спросом. Появление кремний-углеродные анодные материалы вселил новую надежду на удовлетворение этого спроса и постепенно становится ключевой движущей силой инноваций в области аккумуляторных технологий в сфере бытовой электроники.
Характеристики и преимущества Кремний-углеродные анодные материалы
Кремний-углеродные анодные материалы сочетают в себе преимущества кремния и углерода. Кремний — очень перспективный анодный материал. Он обладает впечатляющей теоретической удельной емкостью до 4200 мАч/г. Это более чем в 10 раз больше, чем у традиционных графитовых анодных материалов (372 мАч/г). Это означает, что при той же массе аноды на основе кремния могут хранить больше ионов лития. Это приводит к более высокой плотности энергии для батареи.
Однако существенной проблемой кремния является его высокое объемное расширение во время циклов заряда и разряда. Расширение может достигать 300%. Это расширение похоже на растрескивание воздушного шара после многократного надувания и сдувания. Оно вызывает разрушение структуры электрода. Это серьезно влияет на срок службы и стабильность работы аккумулятора.
Добавление углеродных материалов решает эту проблему. Углеродные материалы обладают высокой электропроводностью. Это компенсирует плохую проводимость кремния. Это обеспечивает плавную проводимость тока внутри батареи. Углеродные материалы также имеют стабильную структуру. Их объемное расширение минимально во время циклирования, обычно менее 10%. Углеродные материалы обладают превосходной гибкостью и смазывающими свойствами. Это позволяет им образовывать буферный слой вокруг частиц кремния. Этот слой поглощает напряжение, вызванное объемным расширением во время заряда и разряда.
Объединяя кремний с углеродом, кремний-углеродные анодные материалы сохраняют высокую удельную емкость кремния. Они также используют преимущества углерода для подавления объемного расширения кремния. Это делает их идеальным выбором для повышения производительности аккумулятора.
Примеры применения кремний-углеродных анодов
Многие производители смартфонов применили технологию кремниево-углеродного анода в своих продуктах, чтобы достичь двойного прорыва в тонкости и времени работы батареи. Например, смартфон определенного бренда оснащен батареей с кремниево-углеродным анодом, которая при сверхтонкой толщине батареи всего 1,9 мм достигает большой емкости 5600 мАч. Эта технология реконструирует структуру анода с помощью наноматериальных процессов, полностью используя неотъемлемое преимущество высокой теоретической удельной емкости кремния, значительно повышая плотность энергии батареи. Сохраняя тонкую форму складных устройств, она эффективно преодолевает ограничения срока службы батареи.
Носимые устройства предъявляют еще более строгие требования к тонкости и длительному сроку службы батареи. Если взять в качестве примера смарт-часы, традиционные технологии батарей с трудом обеспечивают достаточно энергии в ограниченном пространстве для поддержки работы устройства в течение всего дня. Применение материалов с анодами из кремния и углерода изменило эту ситуацию. После внедрения батарей с анодами из кремния и углерода некоторые смарт-часы увеличили срок службы батареи с первоначальных 1-2 дней до 3-5 дней, сохранив при этом тонкий дизайн циферблата. Это позволяет пользователям избегать частой подзарядки, что значительно повышает удобство. В то же время высокая плотность энергии батарей с анодами из кремния и углерода позволяет добавлять больше функциональных возможностей в смарт-часы, например, более продвинутые функции мониторинга состояния здоровья.
Технические проблемы и решения
Технические проблемы
Несмотря на многочисленные преимущества кремний-углеродных анодных материалов, в их практическом применении остается несколько технических проблем. Во-первых, проблема высокого объемного расширения в кремний-углеродных анодах была частично смягчена углеродным композитом. Однако она не была полностью решена. Во время длительных циклов заряда и разряда изменение объема кремния может по-прежнему вызывать отслоение и измельчение материала электрода. Это отрицательно влияет на срок службы батареи.
Во-вторых, процесс подготовки кремний-углеродных анодных материалов сложен и дорог. Основной химический Метод осаждения из паровой фазы (CVD) значительно улучшает эксплуатационные характеристики материала. Однако дорогостоящее оборудование и жесткие условия процесса приводят к высоким производственным затратам на продукцию из кремний-углеродных анодов.
Кроме того, совместимость кремний-углеродных анодных материалов с электролитами имеет решающее значение. Несовместимые электролиты могут привести к побочным реакциям. Это может снизить производительность батареи.
Решение
Для решения проблемы высокого объемного расширения кремний-углеродных анодов исследователи и компании постоянно изучают новые технологические подходы. Например, путем оптимизации конструкции углеродного покрытие слой, на поверхности частиц нанокремния построен композитный слой, сочетающий в себе гибкость и ионную проводимость.
Что касается снижения затрат, компании достигают этого за счет масштабных улучшений производства и процессов.
Для решения проблемы совместимости электролита необходимо разработать специализированные формулы электролита для кремний-углеродных анодов. Путем корректировки состава и добавок можно улучшить совместимость электролита с кремний-углеродными анодами. Это снижает побочные реакции и улучшает общую производительность и стабильность батареи.
Будущие тенденции
С постоянным технологическим прогрессом и усовершенствованиями перспективы использования кремниево-углеродных анодов в легких приложениях потребительской электроники огромны. С одной стороны, производительность кремниево-углеродных анодных материалов будет продолжать улучшаться, при этом ожидается увеличение доли легирования кремнием, что позволит достичь еще более высокой плотности энергии. Это позволит потребительской электронике сохранять тонкий внешний вид, обеспечивая при этом более длительный срок службы батареи.
С другой стороны, по мере роста спроса на рынке и продвижения крупномасштабного производства стоимость кремний-углеродных анодных материалов будет снижаться, что позволит широко использовать их в потребительской электронике среднего и низкого ценового диапазона. Это еще больше расширит их долю на рынке.
Эпический порошок
Epic Powder, более 20 лет опыта работы в отрасли сверхтонких порошков. Активно продвигаем будущее развитие сверхтонких порошков, уделяя особое внимание процессам дробления, измельчения, классификации и модификации сверхтонких порошков. Свяжитесь с нами для бесплатной консультации и индивидуальных решений! Наша команда экспертов стремится предоставлять высококачественные продукты и услуги для максимизации ценности вашей обработки порошков. Epic Powder — ваш надежный эксперт по обработке порошков!