Quelle est la meilleure anode pour une batterie ? L'anode silicium-carbone semble devenir une tendance
La demande de Tesla en matière d'anodes en silicium-carbone
Selon des sources connexes, Tesla doit actuellement remplacer l'anode en oxyde de silicium par une anode en oxyde de silicium. anode en silicium-carbone. La raison principale est que les batteries utilisant des anodes en oxyde de silicium, outre une meilleure performance en termes de taux C, n'ont pas une durée de vie satisfaisante.
En outre, selon le personnel de recherche et de développement de BTR, il existe désormais une usine d'anodes permettant de produire du carbone dopé au silicium pur. Cette opération est tout à fait magique.
En général, les constructeurs automobiles chinois n'utilisent pas d'oxyde de silicium, principalement parce que la plupart des conditions de fonctionnement des véhicules électriques ne nécessitent que 0,5C, et que l'oxyde de silicium peut atteindre 5C, ce qui est redondant. Par conséquent, il semble que la tendance soit de choisir une anode silicium-carbone offrant à la fois de meilleures performances en termes de taux C et de densité énergétique.
Les premières Tesla ont également adopté l'anode silicium-carbone (en 2015, Tesla a adopté l'anode silicium-carbone, ce qui a amélioré l'endurance du véhicule électrique de 6%), car le premier effet de l'anode silicium-carbone et le matériau ternaire peuvent correspondre, et le cylindre est le meilleur emballage de l'anode silicium-carbone, après tout, la structure en acier peut se dilater en cerceaux.
L'évolution des batteries de Tesla a connu trois phases :
Les étapes 1 et 2 utilisent toutes deux des piles 18650, mais la différence est que l'étape 1 utilise du graphite, tandis que l'étape 2 ajoute du silicium, qui peut être considéré comme une "anode silicium-carbone" contenant une très petite quantité de silicium. À l'étape 3, la proportion de silicium a encore été augmentée.
Lors d'une récente conférence technique, Tesla a également confirmé qu'elle livrerait l'année prochaine les premières voitures équipées de la nouvelle batterie 4680, qui utilisera probablement le matériau d'anode silicium-carbone d'Hitachi.
Tesla prévoit de fournir les premières batteries 4680 pour ses premières voitures dans une usine pilote à Fremont, et aura bientôt besoin de partenaires de batteries et de fournisseurs de matériaux, ainsi que de nouvelles installations de fabrication à Berlin et au Texas pour soutenir des volumes plus importants de la 4680. Il convient de préciser que l'anode silicium-carbone connaîtra une vague de développement sous l'impulsion de la demande de Tesla.
Le "rajeunissement" de l'anode silicium-carbone
Avec la demande croissante de densité énergétique, le matériau d'anode silicium-carbone est devenu une sorte de matériau d'anode à haute densité énergétique. La capacité théorique du silicium est de 4 200 mAh/g.
L'anode silicium-carbone remonte aux années 1970 et, en 2002, après les recherches de Yoshio et de ses collaborateurs, elle est progressivement devenue une technologie de pointe, et il existe aujourd'hui sur le marché de nombreux fabricants de matériaux d'anode silicium-carbone.
Pour BTR, les quatre matériaux de 450mAh/g, 500mAh/g, 550mAh/g et 600mAh/g ont atteint une certaine maturité et sont reconnus par les clients. Bien entendu, il existe également une version expérimentale de 1000mAh/g.
En outre, Amprius, ZICen, Shanshan, Kaijin, Xiangfenghua, Shangtai, Star City, Xinmao, Zhengtuo, National technology, Del Future, Silicon treasure produisent des matériaux d'anode en silicium-carbone. Cependant, il n'y a pas beaucoup de clients qui apportent un soutien réel, avec une capacité de production annuelle de plusieurs milliers de tonnes et une capacité limitée.
La quantité de silicium dopé est un secret industriel. Toutefois, on estime généralement que la teneur en silicium du matériau d'anode silicium-carbone 1000mAh/g atteindra 42x+3,72(100-x)=1000 selon la théorie de la conversion.
La teneur en silicium peut atteindre 16,4. La quantité de silicium dans un produit réel serait plus élevée que cela, mais avec la technologie actuelle, 10% est la limite, et 20% affecterait la performance de la batterie.
Le matériau en silicium présente l'inconvénient de se détacher du collecteur d'anode en raison de sa dilatation naturelle, ce qui entraîne une forte atténuation de la lumière du soleil. capacité de la batterie de matériau d'anode en silicium. Il existe donc une limite supérieure à la quantité de silicium dans le matériau d'anode silicium-carbone.
L'université de Stanford a inventé pour la première fois une sorte d'encapsulation de microparticules de silicium dans une enveloppe de graphène, et la capacité en grammes du matériau d'anode silicium-carbone utilisant cette méthode peut atteindre 3 300 mAh/g. Cette capacité est bien supérieure à la capacité gramme négative actuelle du graphite. C'est comme un œuf, on prend du silicium et on l'enroule autour du carbone, le jaune est le silicium, le blanc est le carbone et la coquille est l'acier.
En théorie, la conception de la structure contribue également à résoudre le problème de l'expansion, comme c'est le cas pour les batteries à pales de BYD. Par conséquent, l'amélioration continue des technologie des batteries a résolu dans une certaine mesure le problème des défauts matériels.
Les principales forces motrices des matériaux d'anode à base de silicium
Les principales forces motrices des matériaux d'anode à base de silicium sont les suivantes :
1) Après près de 10 ans de recherche et de développement, la technologie chinoise des anodes à base de silicium continue d'évoluer et la stabilité du produit est progressivement vérifiée par les utilisateurs en aval. fabricants de batteries lithium-ion Parmi eux, GOTION adopte principalement une anode en oxyde de silicium, CATL et Lishen adoptent principalement une anode en silicium-carbone.
2) Les véhicules à énergie nouvelle, les téléphones mobiles, les tablettes et autres produits terminaux ont une demande de plus en plus forte de batteries à haute densité énergétique, à longue autonomie et à haute capacité, et accélèrent l'introduction de matériaux d'anode à haute capacité grammétrique.
Les matériaux cathodiques à haute capacité (tels que les matériaux ternaires à haute teneur en nickel) sont progressivement remplacés, dans une certaine mesure, par des matériaux à base de silicium à haute capacité.
Caractéristiques du marché chinois des anodes à base de silicium
Actuellement, le marché chinois des anodes à base de silicium présente les caractéristiques suivantes :
1) Forte concentration du marché : pas plus de 5 entreprises de production de masse, plus de 20 entreprises de recherche et développement et entreprises pilotes. Il existe trois principaux types d'entreprises d'anodes de silicium : les entreprises d'anodes de graphite existantes, telles que Beitrui, Ningbo Shanshan, Zichen, etc ;
Deuxièmement, l'équipe fondatrice des institutions de recherche scientifique, telles que Tianmu, Leader, etc. Troisièmement, les entreprises de fabrication de batteries ou de nano-silicium qui s'engagent dans ce domaine, telles que GOTION High-tech.
2) Actuellement, il existe moins de modèles d'anodes en silicium en production de masse stable, principalement 420mAh/g, 450mAh/g et 680mAh/g, et les anodes en silicium de plus grande capacité ne peuvent pas être produites en masse.
3) L'application de l'anode à base de silicium est encore relativement limitée ; actuellement, elle est principalement utilisée dans les systèmes numériques cylindriques, dans un petit nombre de systèmes numériques à poche et dans les systèmes cylindriques.
4) Le prix est encore élevé, et bien plus élevé que celui de l'anode en graphite.
Développement futur de l'anode silicium-carbone".
Si l'on ajoute à cela l'inquiétude du marché due à la graphitisation des matériaux d'anode, on obtient quelques indices :
L'anode silicium-carbone a des scénarios d'application
Elle est principalement utilisée dans les véhicules haut de gamme et constitue la principale force motrice du développement de l'anode silicium-carbone. 2022 est une année clé.
L'anode silicium-carbone peut effectivement améliorer la densité énergétique de la batterie, augmenter l'autonomie du véhicule, et la bonne quantité de silicium peut également prendre en compte la performance du taux C.
Mais son prix est plus élevé que celui de l'électrode en graphite (le prix du graphite est d'environ 30 000 à 90 000 yuans/tonne, et celui de l'anode en carbone-silicium de 100 000 à 400 000 yuans/tonne), de sorte qu'elle est principalement utilisée dans les modèles haut de gamme. Ces dernières années, avec l'intensification de la concurrence sur le marché haut de gamme, les véhicules équipés d'une batterie à anode de carbone silicium ont également commencé à faire leur apparition.
Tesla a toujours utilisé des batteries cylindriques, qui ont un meilleur effet sur l'expansion du volume de l'anode silicium-carbone. À partir des modèles S et X, il y a quelques années, Tesla a dopé des matériaux en silicium dans l'anode en graphite, mais la composition en silicium était très faible à l'époque.
Au stade de la Model 3, le ratio de silicium dans la batterie 21700 utilisée par Tesla a été à nouveau amélioré, et sa densité énergétique a augmenté d'environ 20% par rapport à la génération précédente de batterie 18650, atteignant 300Wh/kg. L'autonomie actuelle de la Model 3 est d'environ 500~ 600 km. À l'avenir, avec le lancement d'un grand nombre de modèles de 1000 km en Chine, Tesla aura également des modèles correspondants.
GAC Aian a annoncé sa technologie de cellule anodique depuis la recherche sur l'éponge de silicium (anode ternaire en nickel + carbone silicium haute tension), la technologie comprenant la "technologie du nano-silicium", la "technologie de l'adhésif auto-cicatrisant", la "technologie du revêtement composite à gradient", etc., rend l'intérieur de la pièce anodique de la batterie comme une éponge de silicium souple et élastique, le silicium dans l'expansion et la contraction dans le processus de charge et de décharge sont limités et tampons, pas cassés.
Il agit également comme une éponge pour absorber l'eau, ce qui permet à l'anode en silicium de tirer parti de sa grande capacité et de stocker davantage d'énergie. Cette technologie permet de réduire le volume et le poids des cellules des batteries lithium-ion de 20 % et 14 %.
Cette technologie permet également de prolonger la durée de vie de la batterie et d'améliorer la fiabilité de la batterie lithium-ion. L'AION LX de GAC Aian, équipée d'une batterie à anode de silicium spongieux, peut atteindre une autonomie de plus de 1 000 km.
NIO a annoncé en janvier 2021 que le bloc-batterie de 150 kWh devrait être livré en 2022. La cathode utilise un matériau à ultra-haute teneur en nickel nano-revêtu et l'anode utilise du carbone de silicium pré-lithium. L'électrolyte semi-solide est utilisé, et la densité énergétique d'une seule cellule peut atteindre 350Wh/kg. Le Nio ET7 sera équipé de cette batterie.
En janvier 2021, IM Motor a également lancé son premier modèle - IM L7, qui est une version hautement équipée de la batterie 118kWh. Elle adopte la technologie "dopée au silicium et prélithiation" en coopération avec CATL, ce qui permet d'atteindre une densité énergétique de 300Wh/kg et d'augmenter l'autonomie NEDC à 1000km. De plus, elle présente une atténuation nulle sur 200 000 kilomètres et des caractéristiques de "non combustion spontanée".
La technologie du carbone de silicium accélère les avancées
Depuis la réponse finale, sous la pression de l'augmentation de la densité énergétique des batteries d'énergie, l'introduction de nouveaux matériaux améliorés est imminente. Après la précédente "attaque inverse" du phosphate de fer lithié, le point d'inflexion ternaire à haute teneur en nickel est arrivé, l'industrialisation de l'anode silicium-carbone a également commencé à être mise à l'ordre du jour.
Toutefois, la technologie de production chinoise des matériaux en silicium-carbone n'est pas encore au point et la technologie des matériaux de soutien doit être améliorée. À l'heure actuelle, les entreprises chinoises peuvent réellement réaliser des livraisons mensuelles d'anodes en silicium-carbone de l'ordre de 100 tonnes, ce qui n'est pas énorme.
D'après la technologie des entreprises de batteries, le meilleur emballage d'anode silicium-carbone est cylindrique, mais la poche est également acceptable. EVE peut prétendre résoudre le problème de la poche, mais la manière de presser et de cercler ce matériau est un problème technique. Par conséquent, l'anode en graphite a encore un certain espace de développement.
En fait, le matériau d'anode silicium-carbone étant une nouvelle génération de matériau d'anode à haute capacité, son système de matériau de batterie a également été amélioré en conséquence. Actuellement, le matériau cathodique ternaire à haute teneur en nickel (NCA/NCM), l'électrolyte ternaire à haute pression et l'adhésif à base de silicium sont encore en phase de développement rapide.
Dans le cadre de la politique et de la demande du marché, le développement rapide des batteries à énergie nouvelle sera favorisé, les matériaux silicium-carbone à haut ratio et à haute énergie étant le matériau de choix pour l'industrialisation, le développement futur des batteries à haute densité énergétique favorisera le progrès technique des batteries à haute densité énergétique en Chine.
On s'attend à ce que, dans le contexte du développement rapide des piles électriques, l'anode silicium-carbone passe de 0 à 1 et que le volume des ventes de matériaux d'anode à base de silicium pour les piles au lithium augmente de manière significative au cours des deux prochaines années.
