¿Cuál es el mejor ánodo para una batería? El ánodo de silicio-carbono parece convertirse en tendencia
Tesla exige un ánodo de silicio-carbono
Según fuentes relacionadas, Tesla tiene actualmente la necesidad de cambiar el ánodo de óxido de silicio a ánodo de silicio-carbono. La razón principal es que las baterías que utilizan materiales de ánodo de óxido de silicio, además de un mejor rendimiento del índice C, no tienen una vida útil satisfactoria.
Además, según el personal de investigación y desarrollo de BTR reveló que ahora hay una planta de ánodo para hacer la tendencia de carbono dopado con silicio puro. Esta operación es bastante mágico.
En general, las empresas automovilísticas de China no utilizan material de óxido de silicio, principalmente porque la mayoría de las condiciones de trabajo de los vehículos eléctricos sólo necesitan 0,5C, y el óxido de silicio puede hacer 5C, lo cual es redundante. Por tanto, parece que la tendencia es elegir un ánodo de silicio-carbono con un mejor rendimiento de la tasa C y una mayor densidad energética.
Los primeros Tesla también fueron los que adoptaron el ánodo de silicio-carbono (en 2015, Tesla adoptó el ánodo de silicio-carbono, lo que mejoró la resistencia del vehículo eléctrico en 6%), porque el primer efecto del ánodo de silicio-carbono y el material ternario pueden coincidir, y el cilindro es el mejor embalaje de ánodo de silicio-carbono, después de todo, la estructura de acero puede aros de expansión.
La evolución de las baterías de Tesla ha pasado por tres fases:
Tanto la Etapa 1 como la Etapa 2 utilizan baterías 18650, pero la diferencia es que la Etapa 1 utiliza grafito, mientras que la Etapa 2 añade material de silicio, que puede considerarse como el "ánodo de silicio-carbono" que contiene una cantidad muy pequeña de silicio. En la Etapa 3, se volvió a aumentar la proporción de silicio.
En una reciente conferencia tecnológica, Tesla también confirmó que el año que viene entregará los primeros coches equipados con la nueva batería 4680, que probablemente utilizará el material de ánodo de silicio-carbono de Hitachi.
Tesla planea suministrar las primeras baterías 4680 para sus primeros coches en una planta piloto en Fremont, y pronto necesitará socios de baterías y proveedores de materiales, así como nuevas instalaciones de fabricación en Berlín y Texas para soportar mayores volúmenes de la 4680. Hay que decir que el ánodo de silicio-carbono tendrá una oleada de desarrollo liderada por la demanda de Tesla.
El "rejuvenecimiento" del ánodo de silicio-carbono
Con la creciente demanda de densidad energética, el material de ánodo de silicio-carbono se ha convertido en un tipo de material de ánodo de alta densidad energética. La capacidad teórica del silicio es de 4200mAh/g.
El ánodo de silicio-carbono se remonta a la década de 1970, y en 2002, tras la investigación de Yoshio et al., se convirtió gradualmente en un hito tecnológico, y ahora hay muchos fabricantes de productos de material de ánodo de silicio-carbono en el mercado.
Para BTR, los cuatro materiales de 450mAh/g, 500mAh/g, 550mAh/g y 600mAh/g han madurado bastante y han sido reconocidos por los clientes. Por supuesto, también tienen una versión experimental de 1000mAh/g.
Además, Amprius, ZICen, Shanshan, Kaijin, Xiangfenghua, Shangtai, Star City, Xinmao, Zhengtuo, National technology, Del Future, Silicon treasure están fabricando materiales de ánodo de silicio-carbono. Sin embargo, no hay muchos clientes reales de apoyo, con una capacidad de producción anual de varios miles de toneladas y capacidad limitada.
Cuánto silicio dopado, eso es un secreto industrial. Sin embargo, en general se cree que el contenido de silicio de 1000mAh/g de material de ánodo de silicio-carbono alcanzará 42x+3,72(100-x)=1000 según la teoría de la conversión.
El contenido de silicio llegará hasta 16,4. La cantidad de silicio en un producto real sería superior, pero con la tecnología actual, 10% es el límite, y 20% afectaría al rendimiento de la batería.
El material de silicio tiene el inconveniente de desprenderse del colector del ánodo debido a su dilatación natural, lo que provocará una gran atenuación del capacidad de la batería de material de ánodo de silicio. Por tanto, existe un límite superior para la cantidad de silicio en el material del ánodo de silicio-carbono.
La Universidad de Stanford inventó por primera vez un tipo de encapsulamiento de micropartículas de silicio en una envoltura de grafeno, y la capacidad en gramos del material del ánodo de silicio-carbono que utiliza este método puede alcanzar los 3.300 mAh/g. Muy superior a la capacidad gramo negativa actual del grafeno. Es como un huevo, coges silicio y lo envuelves en carbono, y la yema es silicio, y la clara es carbono, y la cáscara es acero.
En teoría, el diseño de la estructura también ayuda a resolver el problema de la expansión, como las baterías de cuchillas de BYD. Por lo tanto, la mejora continua de tecnología de baterías ha resuelto hasta cierto punto el problema de los defectos materiales.
Las principales fuerzas motrices de los materiales anódicos a base de silicio
Las principales fuerzas impulsoras de los materiales anódicos a base de silicio son las siguientes:
1) Tras casi 10 años de investigación y desarrollo, la tecnología china de ánodos de silicio sigue madurando, y la estabilidad del producto es verificada gradualmente por las empresas transformadoras. fabricantes de baterías de ión-litio Entre ellos, GOTION adopta principalmente el ánodo de óxido de silicio, CATL y Lishen adoptan principalmente el ánodo de silicio-carbono.
2) Los vehículos de nueva energía, los teléfonos móviles, las tabletas y otros productos terminales tienen una demanda cada vez más fuerte de baterías de alta densidad energética, largo alcance y gran capacidad, y aceleran la introducción de materiales de ánodo de alta capacidad en gramos.
Los materiales de cátodo de alta capacidad (como el ternario de alto contenido en níquel) se van acumulando gradualmente, impulsando en cierta medida la aplicación de materiales de alta capacidad basados en silicio.
Características del mercado chino de ánodos de silicio
En la actualidad, el mercado chino de ánodos de silicio presenta las siguientes características:
1) Alta concentración del mercado, no más de 5 empresas de producción en serie, más de 20 empresas de I+D y empresas piloto. Hay tres tipos principales de empresas de ánodos de silicio, una son las empresas de ánodos de grafito existentes, como Beitrui, Ningbo Shanshan, Zichen, etcétera;
En segundo lugar, el equipo fundador de instituciones de investigación científica, como Tianmu, Leader, etc. En tercer lugar, las empresas de baterías o de nanofabricación de silicio que se adentran en este campo, como GOTION High-tech.
2) En la actualidad, hay menos modelos de ánodos de silicio en producción en masa estable, principalmente 420mAh/g, 450mAh/g y 680mAh/g, y no se pueden producir en masa ánodos de silicio con mayor capacidad.
3) La aplicación del ánodo basado en silicio sigue siendo relativamente limitada, actualmente se utiliza principalmente en digital cilíndrico, una pequeña cantidad de digital de bolsa y potencia cilíndrica.
4) El precio sigue siendo elevado, y muy superior al del ánodo de grafito.
Desarrollo futuro del ánodo de silicio-carbono".
Combinado con la ansiedad del mercado debido a la grafitización de los materiales de los ánodos, podemos ver algunas pistas:
El ánodo de silicio-carbono tiene posibilidades de aplicación
Se utiliza principalmente en vehículos de gama alta y es el principal motor del desarrollo del ánodo de silicio-carbono. 2022 es un año clave.
El ánodo de silicio-carbono puede mejorar eficazmente la densidad energética de la batería, aumentar la autonomía del vehículo, y la cantidad adecuada de silicio también puede tener en cuenta el rendimiento de la tasa C.
Pero el precio es superior al del electrodo de grafito (el precio del grafito es de unos 30.000 a 90.000 yuanes/tonelada, y el del ánodo de silicio-carbono es de 100.000 a 400.000 yuanes/tonelada), por lo que se utiliza principalmente en modelos de gama alta. En los últimos años, con la intensificación de la competencia en el mercado de gama alta, los vehículos equipados con batería de ánodo de silicio-carbono también empezaron a aparecer de forma agrupada.
Tesla siempre ha utilizado baterías cilíndricas, que tienen un mejor efecto de contención de la expansión de volumen del ánodo de silicio-carbono. A partir del Model S y el Model X de hace unos años, Tesla ha dopado materiales de silicio en el ánodo de grafito, pero la composición de silicio era muy pequeña en ese momento.
En la fase del Model 3, se ha vuelto a mejorar la proporción de silicio en la batería 21700 utilizada por Tesla, y su densidad energética ha aumentado en unos 20% en comparación con la generación anterior de la batería 18650, alcanzando los 300Wh/kg. La autonomía actual del Model 3 es de unos 500~ 600 km. En el futuro, con el lanzamiento de un gran número de modelos de 1000 km en China, Tesla también tendrá los modelos correspondientes.
GAC Aian anunció su tecnología de células de ánodo desde la investigación de la esponja de silicio (ternario en níquel + carbono silicio ánodo de alta tensión), la tecnología que incluye "la tecnología de nano silicio" "la tecnología de auto-sanación adhesiva" "la tecnología de recubrimiento compuesto gradiente", etc, hacer que el interior de la pieza de ánodo de la batería como una esponja de silicio elástico suave, silicio en la expansión y contracción en el proceso de carga y descarga son limitados y amortiguador, no roto.
También actúa como una esponja para absorber agua, lo que permite al ánodo de silicio aprovechar su gran capacidad y almacenar más energía. Esta tecnología puede reducir el volumen y el peso de las pilas de iones de litio en un 20% y un 14%.
Esta tecnología también puede prolongar la vida útil de la batería y mejorar su fiabilidad. AION LX de GAC Aian equipado con tecnología de batería de ánodo de silicio esponjoso puede alcanzar una autonomía de más de 1.000 km.
NIO anunció en enero de 2021 que la entrega del pack de baterías de 150 kWh está prevista para 2022. El cátodo utiliza material de níquel ultra alto nanorrevestido, y el ánodo utiliza carbono de silicio prelitio. Mientras tanto, se utiliza el electrolito semisólido, y la densidad energética de la célula única puede alcanzar los 350 Wh/kg. Nio ET7 llevará esta batería.
En enero de 2021, IM Motor también lanzó su primer modelo - IM L7, que es una versión altamente equipada de batería de 118kWh. Adopta la tecnología de "Silicon-doped and Prelithiation" cooperada con CATL, que puede alcanzar 300Wh/kg de densidad energética de monomona y aumentar la autonomía de NEDC a 1000km. Y tiene 200 mil kilómetros de atenuación cero y características de "nunca combustión espontánea".
La tecnología del carbono de silicio acelera los avances
A partir de la respuesta terminal, bajo la presión del aumento de la densidad energética de la batería de potencia, la introducción de nuevos materiales mejorados es inminente. Tras el anterior "ataque inverso" del fosfato de hierro y litio, ha llegado el punto de inflexión ternario de alto contenido en níquel, y la industrialización del ánodo de silicio-carbono también ha comenzado a figurar en el orden del día.
Sin embargo, la tecnología de producción de China de materiales de silicio-carbono no está madura, y la tecnología de los materiales de apoyo debe ser mejorado. En la actualidad, las empresas chinas pueden realmente realizar los envíos mensuales de ánodo de silicio-carbono en las cien toneladas no son mucho.
Desde el punto de vista de la tecnología de las empresas de baterías, el mejor paquete de ánodo de silicio-carbono es el cilíndrico, pero la bolsa también está bien. EVE puede afirmar que resuelve el problema de la bolsa, pero cómo prensar y arrollar este material es un problema técnico. Por lo tanto, el ánodo de grafito todavía tiene un cierto espacio de desarrollo.
De hecho, el material de ánodo de silicio-carbono como nueva generación de material de ánodo de alta capacidad, su sistema de material de batería también se ha actualizado en consecuencia. En la actualidad, el material de cátodo ternario de alto contenido en níquel (NCA/NCM), el electrolito ternario de alta presión y el adhesivo a base de silicio se encuentran todavía en fase de rápido desarrollo.
Bajo la política y la demanda del mercado para promover, impulsará aún más el rápido desarrollo de la batería de energía nueva, materiales de silicio-carbono como de alta relación, de alta energía tipo de nuevo material es el material de elección para la industrialización, el futuro desarrollo de alta densidad de energía de la batería de energía promoverá aún más el progreso técnico de las baterías de alta densidad de energía en China.
Se espera que, en el contexto del rápido desarrollo de la batería de energía, el desarrollo del ánodo de silicio-carbono pase de 0 a 1, y el volumen de ventas de material de ánodo a base de silicio para la batería de litio aumente significativamente en los próximos dos años.
