Đánh giá thử nghiệm mở rộng và tình trạng hiện tại của thị trường anode dựa trên silicon

Tình trạng thị trường

Với sự phát triển mạnh mẽ của ngành năng lượng mới, pin lithium-ion đang dần phát triển theo hướng mật độ năng lượng cao hơn và vòng đời dài hơn. Dung lượng gam lý thuyết của điện cực âm than chì hiện tại chỉ là 372mAh/g, không còn đáp ứng được nhu cầu về mật độ năng lượng của pin trong tương lai. Do dung lượng gram lý thuyết cao, hàm lượng phong phú và tiềm năng xen kẽ lithium cao, các điện cực âm dựa trên silicon đã dần trở thành vật liệu điện cực âm pin lithium thế hệ tiếp theo có thể thay thế than chì.

Hiện tại, các hướng phát triển chính của vật liệu dựa trên silicon là vật liệu tổng hợp silicon-carbon và vật liệu tổng hợp silicon-oxy. Vật liệu silicon carbon là silicon đơn giản làm ma trận và sau đó được kết hợp với vật liệu carbon, vật liệu silicon-oxy được tạo ra bằng silicon nguyên tố kết tủa pha khí và silicon dioxide (SiO2) ở nhiệt độ cao, do đó các hạt nano silicon được phân tán đồng đều trong môi trường silicon dioxide để điều chế oxit silic (SiO), sau đó được kết hợp với vật liệu carbon.

Theo dữ liệu của GGII, vào năm 2021, khoảng 11.000 tấn cực dương dựa trên silicon sẽ được xuất xưởng sau khi tái hợp. So với lô hàng 740.000 tấn cực dương, tỷ lệ thâm nhập chỉ là 1,5%, vào năm 2022, khối lượng vận chuyển điện cực âm dựa trên silicon sẽ tăng lên 16.000 tấn sau khi tái hợp. Nó dự đoán rằng vào năm 2023, lô hàng điện cực âm dựa trên silicon sau khi kết hợp dự kiến ​​​​sẽ vượt quá 27.000 tấn và tốc độ tăng trưởng gộp trong ba năm tới dự kiến ​​​​sẽ vượt quá 60%. Hiện nay, các điện cực âm dựa trên silicon chủ yếu được sử dụng trong lĩnh vực xe điện (đại diện là Nhật Bản và Hoa Kỳ) và dụng cụ điện (đại diện chủ yếu là Hàn Quốc). Từ năm 2020, xu hướng ứng dụng dần dần sẽ bắt đầu hình thành trong các sản phẩm kỹ thuật số và thiết bị đeo dành cho người tiêu dùng. Trong những năm gần đây, các công ty pin năng lượng do Tesla đại diện đã và đang mở rộng ứng dụng vật liệu silicon và nguồn điện xi lanh lớn 4680 tiếp theo sẽ đẩy nhanh ứng dụng vật liệu điện cực âm dựa trên silicon. Bảng 1 cho thấy sự tiến bộ trong việc ứng dụng cực dương làm từ silicon trong các công ty ô tô và nhà máy sản xuất pin lớn.

Bảng 1 Tiến độ ứng dụng của các công ty ô tô và nhà máy sản xuất pin trên cực dương gốc silicon

Đánh giá thử nghiệm mở rộng

Vấn đề mở rộng của các điện cực âm dựa trên silicon là trở ngại lớn nhất đối với việc áp dụng các điện cực âm silicon-carbon trong phạm vi rộng. Một mặt, sự thay đổi âm lượng lớn do sự giãn nở sẽ gây ra sự tích tụ ứng suất bên trong điện cực, khiến điện cực bị nghiền thành bột, làm giảm hiệu suất chu kỳ và độ an toàn của pin, mặt khác, sự thay đổi âm lượng cũng làm cho màng SEI của điện cực âm cần phải được hình thành nhiều lần, dẫn đến mất nguồn lithium hoạt động và làm giảm hiệu suất Coulomb đầu tiên. Cơ chế lưu trữ lithium của điện cực âm dựa trên silicon là lưu trữ lithium hợp kim. Không giống như sự xen kẽ lithium xen kẽ than chì, các hạt silicon sẽ gây ra sự giãn nở và co lại thể tích lớn trong quá trình hợp kim hóa/khử hợp kim,₁₅Và₄giai đoạn, mở rộng âm lượng tối đa tương ứng có thể đạt 300%; việc bổ sung các nguyên tử oxy sẽ hạn chế độ sâu phản ứng của điện cực âm silicon-oxy. Mặc dù tốc độ mở rộng có thể giảm xuống 120%, nhưng nó vẫn lớn hơn nhiều so với 10% -12% của điện cực âm than chì. Sự giãn nở thể tích lớn sẽ dẫn đến việc các hạt vật liệu silicon bị nghiền thành bột, điều này sẽ làm cho sự tiếp xúc điện giữa các hạt silicon và chất dẫn điện trở nên tồi tệ hơn; thứ hai, nó sẽ dẫn đến màng SEI bị vỡ và tái tạo liên tục. Quá trình này sẽ tiêu thụ một lượng lớn lithium hoạt tính và chất điện phân, do đó đẩy nhanh quá trình suy giảm dung lượng và lão hóa của pin.

Làm thế nào để mô tả chính xác độ dày giãn nở của pin cực dương dựa trên silicon tại các thời điểm khác nhau trong quá trình sạc và xả là một khó khăn lớn gây khó khăn cho các nhà máy vật liệu và nhà máy sản xuất pin, hiện nay, các phương pháp giãn nở để đo tỷ lệ của mảnh cực và thang đo của pin chủ yếu bao gồm phép đo micromet, phép đo máy đo độ dày màng, phép đo máy đo độ dày laser và phép đo dụng cụ sản xuất và cảm biến áp suất. Các nhà nghiên cứu từHợp PhìCông Ty TNHH Năng Lượng Công Nghệ Cao Gotion.đã sử dụng Mahr Millimar C1216 của Đức để nghiên cứu ảnh hưởng của chất kết dính đối với sự giãn nở của các điện cực âm của pin lithium-ion^[1]. Các nhà nghiên cứu từ Đại học Thanh Hoa đã sử dụng phép đo độ dày bằng laser để nghiên cứu sự biến dạng của các mảnh và tế bào cực của pin gói mềm^[2]. Trường năng lượng củasoochowTrường đại họcđã hợp tác với các nhà nghiên cứu của Ningde New Energy và sử dụng một thiết bị kiểm tra tự chế có cảm biến áp suất để kiểm tra lực giãn nở của pin túi trong quá trình sạc và xả trong một khoảng cách không đổi. Thiết bị được sử dụng được hiển thị trong Hình 1^[3].

Hình 1. Thiết lập kiểm tra căng thẳng mở rộng

Trong số các phương pháp trên, không thể thực hiện thử nghiệm tại chỗ bằng cách sử dụng micromet, máy đo độ dày màng hoặc máy đo độ dày laser để đo độ dày giãn nở của miếng cực. Cần phải tháo pin sau khi sạc và xả và lấy các điểm khác nhau để đo, điều này sẽ gây ra sai lệch lớn về kết quả và không thể phản ánh chính xác sự thay đổi độ dày của miếng cực trong quá trình sạc và xả. Phương pháp lắp dụng cụ với cảm biến áp suất chỉ có thể đo lực giãn nở của pin dưới khe hở không đổi chứ không thể đo độ dày giãn nở theo thời gian thực của pin. Để đo chính xác hơn sự thay đổi độ dày của vật liệu điện cực âm dựa trên silicon trong quá trình sạc và xả, có thể quan sát độ dày và trạng thái của miếng cực hoặc pin tại chỗ bằng kính hiển vi quang học^[4].

Dựa trên các yêu cầu thử nghiệm thực tế của các điện cực âm dựa trên silicon và những ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp thử nghiệm khác nhau, IEST đã phát triển độc lập hệ thống phân tích độ phồng tại chỗ (SWE2110, IEST) và sàng lọc độ phồng nhanh tại chỗ cho cực dương dựa trên silicon (RSS1400, IEST). Nó sử dụng các tế bào nút mô hình để thực hiện các thử nghiệm sưng tại chỗ ở cấp độ mảnh cực, đồng thời, thử nghiệm mở rộng tế bào tại chỗ có thể được thực hiện trên pin túi có độ dày nhất định, đó là không chỉ thuận tiện khi vận hành mà còn tiết kiệm đáng kể chi phí thử nghiệm và rút ngắn chu kỳ đánh giá mở rộng vật liệu dựa trên silicon từ hàng chục ngày ban đầu xuống còn 1-2 ngày. Hình ảnh vật lý của RSS1400 được hiển thị trong Hình 2(a),

Hình 2. (a)Sàng lọc sưng nhanh tại chỗ đối với cực dương dựa trên silicon (RSS1400, IEST)

( b ) So sánh độ phồng của vật liệu SiC với ba thiết kế kết cấu khác nhau.

Bản tóm tắt

Với sự phát triển nhanh chóng của pin lithium-ion, phạm vi ứng dụng và thị phần của vật liệu điện cực âm dựa trên silicon cũng đang tăng lên hàng năm. Sự mở rộng của các điện cực âm dựa trên silicon là yếu tố chính cản trở sự phát triển nhanh chóng của nó, việc giám sát hiệu quả quá trình điều chỉnh ức chế mở rộng vật liệu hiện tại và mở rộng lớp tế bào cũng là trọng tâm của sự phát triển ngành, IEST RSS sê-ri sàng lọc sưng nhanh tại chỗ cho Cực dương dựa trên silicon là một thiết bị chuyên dụng được phát triển để theo dõi sự giãn nở của vật liệu dựa trên silicon, nó có thể được kết hợp với mức mảnh cực để nhanh chóng nhận ra việc đánh giá nhanh các vật liệu biến đổi quy trình khác nhau, có thể được sử dụng như một phương tiện hiệu quả cho vật liệu phát triển và theo dõi vật liệu đầu vào.

Tài liệu tham khảo

[1] He Yuyu, Chen Wei, Feng Desheng, Zhang Hongli. Ảnh hưởng của chất kết dính đối với hiện tượng phồng điện cực âm của pin lithium-ion [J]. Battery, 2017,47(03):169-172.

[2] Trương Chính Đức. Nghiên cứu về sự biến dạng của pin đóng gói linh hoạt lithium-ion [D]. Đại học Thanh Hoa, 2012.

[3] Niu Shaojun, Wu Kai, Zhu Guobin, Wang Yan, Qu Qunting, Zheng Honghe. Ứng suất giãn nở của điện cực âm gốc silicon trong pin lithium-ion trong quá trình đạp xe [J]. Khoa học và Công nghệ lưu trữ năng lượng, 2022,11( 09):2989-2994.

[4] Jinhui GAO, Yinglong C, Fanhui M, et al. Nghiên cứu quan sát bằng kính hiển vi quang học tại chỗ trong pin lithium-ion[J]. Khoa học và Công nghệ Lưu trữ Năng lượng, 2022, 11(1): 53.