Krzem może znacznie zwiększyć gęstość baterii

Akumulatory litowo-jonowe w EV

Akumulatory litowo-jonowe zbliżają się do górnego pułapu wydajności, szczególnie jeśli chodzi o osiąganą gęstość energii. Jednak zmiana stosowanych materiałów anodowych, a mianowicie wprowadzanie anod krzemowych lub litowo-metalowych, może zapewnić stopniową poprawę gęstości energii. Ich potencjał obrazuje między innymi duża w porównaniu z innymi obszarami rozwoju technologii litowo-jonowych liczba start-up’ów opracowujących materiały anodowe, z których większość koncentruje się na krzemie.

Liczba start-up’ów rozwijających poszczególne technologie baterii. Źródło: IDTechEx – ‘Zaawansowane akumulatory litowo-jonowe i nie tylko 2022-2032: technologie, gracze, trendy, rynki’.

Powodem tego zainteresowania jest fakt, że krzem może znacznie zwiększyć gęstość energii w baterii, biorąc pod uwagę jego pojemność o rząd wielkości wyższą niż powszechnie stosowany grafit. Gęstość energii na poziomie komórek może niemal podwoić się w porównaniu z obecnym stanem techniki, przynosząc oczywiste korzyści dla zasięgu pojazdu elektrycznego (EV) lub czasu pracy smartfona. Poza tą zasadniczą zaletą, krzem może również poprawić atrakcyjność ogniw o niższej gęstości energii, takich jak ogniwa oparte o fosforan litowo-żelazowy (LFP), zmniejszając lukę w stosunku do ogniw typu niklowo-manganowo-kobaltowego (NMC) i minimalizując podstawową wadę LFP, zwłaszcza w przypadku aplikacji EV. IDTechEx szacuje, że dodanie 20% krzemu do anody może poprawić gęstość energii o 17%.

Problem z użyciem krzemu jako anody to brak jej trwałości. Zmiany objętości, którym podlega podczas cyklu pracy, prowadzą do zużycia elektrolitu i litu oraz powodują naprężenia mechaniczne, które ostatecznie prowadzą do utraty przewodności elektrycznej i jonowej. Poprawa porowatości, zastosowanie dodatków elektrolitowych oraz wprowadzenie sieci przewodzących i scalających to tylko niektóre z opracowywanych rozwiązań. Zastosowanie krzemu wiąże się również ze zmniejszonym  ryzykiem tworzenia się dendrytów, a polepszenie porowatości i wprowadzenie dodatków przewodzących dodatkowo wspomaga szybkie ładowanie i pracy w niskich temperaturach. Ogólnie rzecz biorąc, anody krzemowe stanowią bardzo obiecującą alternatywę, a firmy już obecnie prezentują ogniwa o rozsądnym cyklu życia, dostarczając dowodów na to, że kluczowa wada krzemu jest bliska przezwyciężenia.

Krzem może pomóc zmniejszyć lukę w stosunku do dzisiejszych ogniw litowo-jonowych typu NMC i NCA. Źródło: IDTechEx ‘Zaawansowane akumulatory litowo-jonowe i nie tylko 2022-2032: technologie, gracze, trendy, rynki’

Anody litowo-metalowe również niosą ze sobą nadzieję na poprawę gęstości energii, ale ponownie: ich wadą jest krótki cykl życia. Są również bardziej narażone na powstawanie dendrytów i zwarć. Trwają liczne prace nad ogniwami opartymi na elektrolitach stałych, ale jednocześnie kontynuowane są projekty,  wykorzystujące cienką barierę ochronną i stabilny ciekły elektrolit, stanowiące bazę do wprowadzenia anod litowo-metalowych. SES jest doskonałym przykładem firmy stosującej tego typu podejście. W rzeczywistości zastosowanie bardziej konwencjonalnego układu separator/elektrolit może być korzystne dla gęstości energii i możliwości produkcyjnych. Po rozwiązaniu niektórych problemów związanych z  wydajnością i wyzwań technicznych związanych z krzemem i litem metalicznym, kluczem do ich sukcesu jest zmiana sposobu wytwarzania tych rozwiązań na dużą skalę i późniejszej integracji z obecnymi procesami produkcji baterii. Przy podobnych zaletach i wadach, reprezentowanych przez obie technologie, ostatecznie pytanie nie będzie dotyczyło zastosowania krzemu czy litu, ale realności wdrożenia danej innowacji lub rozwiązania.

Oprócz samej gęstości energii, kolejnym kluczowy parametrem, który może przyciągnąć uwagę przemysłu, jest szybkie ładowanie. Anody krzemowe mogą być dobrze przystosowane do szybkiego ładowania, jednak podobnie ma się w przypadku ogniw opartych na licie metalicznym, gdzie ostatnie doniesienia sugerują znaczny postęp w tym zakresie. W obu przypadkach wydajność należy jednak zweryfikować w komercyjnych projektach ogniw.

Jednak niektóre aplikacje mogą wymagać zarówno możliwości szybkiego ładowania, jak i bardzo długich cykli życia, przekraczających 1.000 cykli ogólnie możliwych dla Si lub Li. Toshiba, Echion i Nyobolt opracowują nowatorskie materiały anodowe na bazie tlenków niobu i wolframu, obiecując 5-6 minutowe czasy ładowania i żywotność liczoną w dziesiątkach tysięcy cykli, jednak osiągana gęstość energii znajdzie się prawdopodobnie poniżej LFP (fosforan litowo-żelazowy). Chociaż istnieje długoterminowa zaleta tych materiałów, ich stosunkowo niska gęstość energii wyklucza je w przypadku pojazdów typu BEV i większości urządzeń konsumenckich. Z drugiej strony, istnieją zastosowania, w których wysoka moc i długa żywotność może być bardzo cenna.

Jednak to grafit, a następnie krzem i lit metaliczny, będą kluczowymi materiałami anodowymi w nadchodzącej dekadzie. IDTechEx prognozuje, że zapotrzebowanie na anody krzemowe wzrośnie o 45% w latach 2022-2032 w ujęciu wagowym.

Żródło: © IDTechEx

Autor: Alex Holland