Aktuell status och utvärdering av expansionstest av kiselbaserad anodmarknad
Marknadsstatus
Med den kraftfulla utvecklingen av den nya energiindustrin utvecklas litiumjonbatterier gradvis i riktning mot högre energitäthet och längre livslängd. Den teoretiska gramkapaciteten för den befintliga grafitnegativa elektroden är endast 372mAh/g, vilket inte längre kan möta behovet av batteritäthet i framtiden. På grund av dess höga teoretiska gramkapacitet, rika innehåll och höga litiuminterkalationspotential har kiselbaserade negativa elektroder gradvis blivit nästa generations negativa elektrodmaterial för litiumbatterier som kan ersätta grafit.
För närvarande är de viktigaste utvecklingsriktningarna för kiselbaserade material kisel-kol-kompositer och kisel-syre-kompositer. Kiselkolmaterialet är enkelt kisel som matris och sedan blandat med kolmaterial, kisel-syrematerialet tillverkas av gasfasfällande elementärt kisel och kiseldioxid (SiO2) vid hög temperatur, så att kiselnanopartiklar är jämnt fördelade i kiseldioxidmediet för att framställa kiseloxid (SiO), och blandas sedan med kolmaterial.
Enligt GGII-data kommer 2021 cirka 11 000 ton kiselbaserade anoder att skickas efter rekombination. Jämfört med transporten av 740 000 ton anoder är penetrationsgraden endast 1,5 %, 2022 kommer transportvolymen av kiselbaserade negativa elektroder att stiga till 16 000 ton efter rekombination. Den förutspår att 2023 förväntas leveransen av kiselbaserade negativa elektroder efter kompoundering överstiga 27 000 ton, och blandningens tillväxttakt under de kommande tre åren förväntas överstiga 60 %. För närvarande används kiselbaserade negativa elektroder främst inom området elfordon (representerade av Japan och USA) och elektriska verktyg (representerade främst av Sydkorea). Från 2020 kommer en gradvis tillämpningstrend att börja bildas inom digitala och bärbara konsumentprodukter. På senare år har kraftbatteriföretag representerade av Tesla har utökat tillämpningen av kiselmaterial, och den uppföljande kraften på 4680 stora cylindrar kommer att påskynda tillämpningen av kiselbaserade negativa elektrodmaterial. Tabell 1 visar framstegen i tillämpningen av kiselbaserade anoder i stora bilföretag och batterifabriker.
Tabell 1 Tillämpningsframsteg för bilföretag och batterifabriker på kiselbaserade anoder
Bilföretag/ Batterifabriker | Tidslinje | Specifika framsteg | |
Tesla | 2017 | Tesla använder ett Panasonic 21700-batteri. Det negativa elektrodmaterialet är 10 % kiselbaserat material (kiseloxid) tillsatt konstgjord grafit. Dess kapacitet är över 550mAh/g, och batteriets energitäthet kan nå 300wh/kg. | |
GAC | 2021 | GAC släppte en enda battericell med hjälp av en negativ batteriteknik av svampsilikon. Battericellens energitäthet överstiger 280Wh/Kg, och kryssningsräckvidden överstiger 1000Km. GAC Aian LX utrustad med detta batteri kommer att masstillverkas inom detta år. | |
NIO | 2021 | I januari 2021 lanserade NIO ett batteripaket på 150 kWh. NIO ES8 utrustad med detta solid-state batteripaket kommer att ha en räckvidd på 730 kilometer, och den maximala räckvidden kommer att nå 910 kilometer. Leveransen kommer att påbörjas under fjärde kvartalet 2022, där den negativa elektroden är gjord av homogen beläggning och oorganiskt förlitierat kisel-kolkompositmaterial för negativ elektrod. | |
I DEN | 2022 | När det gäller batteritid är IM L7 utrustad med ett standardbatteri på 93 kWh, med en räckvidd på 615 km. Den avancerade konfigurationen använder ett 118 kWh batteri och använder kiseldopad litiumtillskottsteknik, som kan uppnå en enda energitäthet på 300Wh/kg. NEDC har en batteritid på nästan 1000 km. L7 förväntas levereras under första halvåret 2022, och kisel-kolanodbatterier förväntas introduceras på marknaden under de kommande 5 åren. | |
Benz | 2025 | 2025 kommer Mercedes-Benz att ta i bruk en ny generation högenergi-densitetsbatterier i G-klassmodellen. Genom att använda kiselbaserade negativa elektroder är energitätheten 20%-40% högre än för nuvarande grafitnegativa elektroder, batteriet tillhandahålls av Ningde Times, och anodmaterialet är från Sila Nano, ett nystartat företag i Kalifornien. | |
CATL | 2021 | Under 2020 kommer vi gemensamt att utveckla"silikondopad litiumbattericell"teknik med IM; 2021 kan vi komma att leverera NIO:s 150 kWh solid-state batteri, som använder kisel-kol negativ elektrod från oorganisk förlitieringsprocess. | |
VÄRLD | 2022 | År 2022 kommer det att investera strategiskt i Dow Technologys 6 miljarder plus kisel-kol anodmaterialprojekt; samtidigt sa den att den har tekniska reserver och använder kiselbaserade material som anod för solid state-batterier, och energitätheten förväntas nå 400Wh/kg. | |
Gotion | 2021 | I januari 2021 släppte Gotion officiellt en mjukpackad litiumjärnfosfatbattericell med en energitäthet på 210Wh/kg, och påstod sig ha använt negativa kiselelektrodmaterial för första gången i det kemiska litiumjärnfosfatsystemet. | |
LISHEN | 2017 | Under 2017 genomförde det det nationella projektet"High Specific Energy Density Lithium-ion Power Battery Development and Industrialization Technology Research” och fullbordade utvecklingen av ett enda kraftbatteri med en energitäthet på 260Wh/kg, och kapacitetsretentionsgraden nådde 83,28 % efter 350 cykler, batteriet använder ett kisel -kolkomposit. | |
Panasonic | 2017 | Tesla använder ett Panasonic 21700-batteri. Det negativa elektrodmaterialet är 10 % kiselbaserat material (kiseloxid) tillsatt konstgjord grafit. Dess kapacitet är över 550mAh/g, och batteriets energitäthet kan nå 300wh/kg. | |
Samsung SDI | 2021År | Under 2021 är det planerat att lansera andra generationens batterikiselbaserade anod med en kiselhalt på 7 %, och tredje generationens batteri med en kiselhalt på 10 % förväntas släppas 2024. | |
Utvärdering av expansionstest
Expansionsproblemet med kiselbaserade negativa elektroder är det största hindret för tillämpningen av kisel-kol negativa elektroder i ett stort område. Den enorma volymförändringen som utvidgningen åstadkommer kommer å ena sidan att orsaka att elektrodens inre spänning ackumuleras, vilket gör att elektroden pulveriseras, vilket minskar batteriets cykelprestanda och säkerhet, å andra sidan volymförändringen gör också att SEI-filmen av den negativa elektroden måste bildas upprepade gånger, vilket leder till förlust av aktiv litiumkälla och minskar den första Coulomb-effektiviteten. Litiumlagringsmekanismen för den kiselbaserade negativa elektroden är legerad litiumlagring. Till skillnad från grafitinterkalering litiuminterkalering kommer kiselpartiklar att orsaka enorm volymexpansion och sammandragning i processen för legering/avlegering,15Och4fas, motsvarande maximala volymexpansion kan nå 300%; tillsatsen av syreatomer begränsar reaktionsdjupet för den negativa kisel-syreelektroden. Även om expansionshastigheten kan reduceras till 120%, är den fortfarande mycket större än 10%-12% av grafit negativa elektroden. Den enorma volymexpansionen kommer att leda till pulverisering av kiselmaterialpartiklarna, vilket kommer att göra den elektriska kontakten mellan kiselpartiklarna och det ledande medlet värre; för det andra kommer det att leda till ett kontinuerligt brott och regenerering av SEI-filmen. Denna process kommer att förbruka en stor mängd aktivt litium och elektrolyt, vilket påskyndar batteriets kapacitetsminskning och åldrande.
Hur man exakt karakteriserar expansionstjockleken hos kiselbaserade anodbatterier vid olika tidpunkter under laddnings- och urladdningsprocessen är en stor svårighet som plågar materialfabriker och batterifabriker, för närvarande är expansionsmetoderna för att mäta skalan på polstycket och batteriets skala inkluderar huvudsakligen mätningen av mikrometern, mätningen av filmtjockleksmätaren, mätningen av lasertjockleksmätaren och mätningen av tillverkningsverktyget och trycksensorn. Forskare frånHefeiGotion High-tech Power Energy Co., Ltd.använde tyska Mahr Millimar C1216 för att studera effekten av bindemedel på expansionen av litiumjonbatteriets negativa elektroder[1]. Forskare från Tsinghua University använde lasertjockleksmätning för att studera deformationen av de mjuka batteripolerna och cellerna[2]. Skolan för energiSoochowuniversitetsamarbetade med forskarna från Ningde New Energy och använde en egentillverkad testenhet med en trycksensor för att testa påsbatteriets expansionskraft under laddning och urladdning under ett konstant gap. Den använda enheten visas i figur 1[3].
Figur 1. Installation av expansionsstresstest
Bland de ovanstående metoderna kan in-situ-testet inte göras med hjälp av en mikrometer, en filmtjockleksmätare eller en lasertjockleksmätare för att mäta polstyckets expansionstjocklek. Det är nödvändigt att demontera batteriet efter laddning och urladdning, och ta olika punkter för mätning, det kommer att orsaka stora avvikelser i resultaten och kan inte exakt återspegla polstyckets tjockleksförändringar under laddnings- och urladdningsprocessen. Metoden att förse verktyget med trycksensorn kan endast mäta batteriets expansionskraft under ett konstant gap, men kan inte mäta batteriets expansionstjocklek i realtid. För att mer exakt mäta tjockleksförändringen av det kiselbaserade negativa elektrodmaterialet under laddnings- och urladdningsprocessen, kan observera tjockleken och tillståndet på polstycket eller batteriet på plats med ett optiskt mikroskop[4].
Baserat på de faktiska testkraven för kiselbaserade negativa elektroder och fördelarna och nackdelarna med olika testmetoder, utvecklade IEST självständigt in-situ svällningsanalyssystemet (SWE2110, IEST) och in-situ snabbsvällningsscreening för kiselbaserad anod (RSS1400, IEST). Den använder modellknappceller för att utföra in-situ svällningstester på polstycksnivån, samtidigt kan in-situ cellexpansionstestet utföras på påsebatterier med en viss tjocklek, vilket är inte bara bekväm att använda, utan sparar också kraftigt testkostnaden och förkortar utvärderingscykeln för kiselbaserad materialexpansion från de ursprungliga dussintals dagar till 1-2 dagar. Den fysiska bilden av RSS1400 visas i figur 2(a),
Figur 2. (a)In-situ screening för snabb svällning för kiselbaserad anod (RSS1400, IEST)
(b) Svullnadsjämförelse av SiC-material med tre olika strukturella konstruktioner.
Sammanfattning
Med den snabba utvecklingen av litiumjonbatterier ökar också applikationstäckningen och marknadsandelen för kiselbaserade negativa elektrodmaterial år för år. Expansionen av kiselbaserade negativa elektroder är en nyckelfaktor som hindrar dess snabba utveckling, effektiv övervakning av nuvarande materialexpansionshämmande modifiering och cellskiktsexpansion är också i fokus för industriutveckling, IEST RSS-serien, screening för snabb svällning på plats för kiselbaserad anod är en specialiserad utrustning utvecklad för att övervaka expansionen av kiselbaserade material, den kan kombineras med polstycksnivån för att snabbt realisera den snabba utvärderingen av olika processmodifierade material, som kan användas som ett effektivt medel för material utveckling och övervakning av inkommande material.
Referenslitteratur
[1] He Yuyu, Chen Wei, Feng Desheng, Zhang Hongli. Effekt av bindemedel på litiumjonbatteri negativ elektrodsvullnad [J]. Batteri, 2017,47(03):169-172.
[2] Zhang Zhengde. Forskning om deformation av litiumjonbatterier för flexibla förpackningar [D]. Tsinghua University, 2012.
[3] Niu Shaojun, Wu Kai, Zhu Guobin, Wang Yan, Qu Qunting, Zheng Honghe. Expansionsspänning av kiselbaserad negativ elektrod i litiumjonbatteri under cykling [J]. Energy Storage Science and Technology, 2022,11( 09):2989-2994.
[4] Jinhui GAO, Yinglong C, Fanhui M, et al. Forskning om in-situ optisk mikroskopisk observation i litiumjonbatterier[J]. Energy Storage Science and Technology, 2022, 11(1): 53.