Aktueller Status und Erweiterungstestbewertung des Marktes für siliziumbasierte Anoden
Marktstatus
Mit der starken Entwicklung der neuen Energiebranche entwickeln sich Lithium-Ionen-Batterien schrittweise in Richtung höherer Energiedichte und längerer Zyklenlebensdauer. Die theoretische Grammkapazität der vorhandenen negativen Graphitelektrode beträgt nur 372 mAh/g, was den Bedarf an Batterieenergiedichte in Zukunft nicht mehr decken kann. Aufgrund ihrer hohen theoretischen Grammkapazität, ihres reichen Gehalts und ihres hohen Lithium-Interkalationspotentials haben sich negative Elektroden auf Siliziumbasis nach und nach zu den negativen Elektrodenmaterialien für Lithiumbatterien der nächsten Generation entwickelt, die Graphit ersetzen können.
Die Hauptentwicklungsrichtungen siliziumbasierter Materialien sind derzeit Silizium-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe und Silizium-Sauerstoff-Verbundwerkstoffe. Das Silizium-Kohlenstoff-Material besteht aus einfachem Silizium als Matrix und wird dann mit Kohlenstoffmaterialien verbunden. Das Silizium-Sauerstoff-Material wird durch Gasphasenfällung von elementarem Silizium und Siliziumdioxid (SiO2) bei hoher Temperatur hergestellt, sodass Silizium-Nanopartikel gleichmäßig darin verteilt werden Das Siliziumdioxidmedium zur Herstellung von Siliziumoxid (SiO) und dann mit Kohlenstoffmaterialien verbunden.
Laut GGII-Daten werden im Jahr 2021 etwa 11.000 Tonnen Anoden auf Siliziumbasis nach der Rekombination verschifft. Verglichen mit dem Versand von 740.000 Tonnen Anoden beträgt die Durchdringungsrate nur 1,5 %, im Jahr 2022 wird das Versandvolumen von siliziumbasierten negativen Elektroden nach der Rekombination auf 16.000 Tonnen steigen. Es wird prognostiziert, dass im Jahr 2023 die Lieferung siliziumbasierter negativer Elektroden nach der Compoundierung voraussichtlich 27.000 Tonnen übersteigen wird und die Wachstumsrate der Compounds in den nächsten drei Jahren voraussichtlich 60 % übersteigen wird. Gegenwärtig werden negative Elektroden auf Siliziumbasis hauptsächlich im Bereich von Elektrofahrzeugen (vertreten durch Japan und die Vereinigten Staaten) und Elektrowerkzeugen (vertreten hauptsächlich durch Südkorea) verwendet. Ab 2020 wird sich ein allmählicher Anwendungstrend bei digitalen und tragbaren Verbraucherprodukten herausbilden. In den vergangenen Jahren, Die von Tesla vertretenen Energiebatterieunternehmen haben die Anwendung von Siliziummaterialien ausgeweitet, und die nachfolgende 4680-Großzylinderleistung wird die Anwendung von negativen Elektrodenmaterialien auf Siliziumbasis beschleunigen. Tabelle 1 zeigt die Fortschritte beim Einsatz siliziumbasierter Anoden in großen Automobilherstellern und Batteriefabriken.
Tabelle 1 Anwendungsfortschritt von Automobilherstellern und Batteriefabriken bei siliziumbasierten Anoden
Autofirmen/ Batteriefabriken | Zeitleiste | Spezifischer Fortschritt | |
Tesla | 2017 | Tesla verwendet einen Panasonic 21700-Akku. Das Material der negativen Elektrode besteht zu 10 % aus einem Material auf Siliziumbasis (Siliziumoxid), das künstlichem Graphit beigemischt ist. Seine Kapazität liegt über 550 mAh/g und die Energiedichte der Batterie kann 300 Wh/kg erreichen. | |
GAC | 2021 | GAC hat eine einzelne Batteriezelle mit negativer Schwamm-Silizium-Batterietechnologie auf den Markt gebracht. Die Energiedichte der Batteriezelle übersteigt 280 Wh/kg und die Reichweite übersteigt 1000 km. Der mit dieser Batterie ausgestattete GAC Aian LX wird noch in diesem Jahr in Massenproduktion gehen. | |
NEUN | 2021 | Im Januar 2021 brachte NIO einen 150-kWh-Akku auf den Markt. Der mit diesem Festkörperbatteriepaket ausgestattete NIO ES8 verfügt über eine Reichweite von 730 Kilometern und die maximale Reichweite beträgt 910 Kilometer. Die Auslieferung beginnt im vierten Quartal 2022, wobei die negative Elektrode aus einer homogenen Beschichtung und einem anorganischen, vorlithiierten Silizium-Kohlenstoff-Verbundmaterial für die negative Elektrode besteht. | |
IM | 2022 | Was die Batterielebensdauer betrifft, ist IM L7 standardmäßig mit einer 93-kWh-Batterie ausgestattet und bietet eine Reichweite von 615 km. Die High-End-Konfiguration verwendet eine 118-kWh-Batterie und nutzt eine Silizium-dotierte Lithium-Ergänzungstechnologie, die eine einzelne Energiedichte von 300 Wh/kg erreichen kann. NEFZ hat eine Batterielebensdauer von fast 1000 km. L7 wird voraussichtlich in der ersten Hälfte des Jahres 2022 ausgeliefert, und Silizium-Kohlenstoff-Anodenbatterien werden voraussichtlich in den nächsten fünf Jahren auf den Markt kommen. | |
Benz | 2025 | Im Jahr 2025 wird Mercedes-Benz in der G-Klasse eine neue Generation von Batterien mit hoher Energiedichte einführen. Durch die Verwendung von negativen Elektroden auf Siliziumbasis ist die Energiedichte 20–40 % höher als bei aktuellen negativen Graphitelektroden, die Batterie wird von Ningde Times bereitgestellt und das Anodenmaterial stammt von Sila Nano, einem kalifornischen Start-up-Unternehmen. | |
CATL | 2021 | Im Jahr 2020 werden wir gemeinsam das entwickeln"Siliziumdotierte Lithium-Batteriezelle"Technologie mit IM; Im Jahr 2021 werden wir möglicherweise die 150-kWh-Festkörperbatterie von NIO liefern, die eine negative Silizium-Kohlenstoff-Elektrode aus einem anorganischen Vorlithiierungsprozess verwendet. | |
WELT | 2022 | Im Jahr 2022 wird das Unternehmen strategisch in das über 6 Milliarden teure Silizium-Kohlenstoff-Anodenmaterialprojekt von Dow Technology investieren. Gleichzeitig hieß es, dass es über technische Reserven verfüge und Materialien auf Siliziumbasis als Anode von Festkörperbatterien verwende und die Energiedichte voraussichtlich 400 Wh/kg erreichen werde. | |
Gotion | 2021 | Im Januar 2021 brachte Gotion offiziell eine weichgepackte Lithium-Eisenphosphat-Batteriezelle mit einer Energiedichte von 210 Wh/kg auf den Markt und gab an, erstmals erfolgreich Silizium-Negativelektrodenmaterialien im chemischen System von Lithium-Eisenphosphat eingesetzt zu haben. | |
LISHEN | 2017 | Im Jahr 2017 wurde das nationale Projekt durchgeführt"High Specific Energy Density Lithium-ion Power Battery Development and Industrialization Technology Research“ und schloss die Entwicklung einer Single-Power-Batterie mit einer Energiedichte von 260 Wh/kg ab, wobei die Kapazitätserhaltungsrate nach 350 Zyklen 83,28 % erreichte. Die Batterie verwendet Silizium -Carbon-Verbundwerkstoff. | |
Panasonic | 2017 | Tesla verwendet einen Panasonic 21700-Akku. Das Material der negativen Elektrode besteht zu 10 % aus einem Material auf Siliziumbasis (Siliziumoxid), das künstlichem Graphit beigemischt ist. Seine Kapazität liegt über 550 mAh/g und die Energiedichte der Batterie kann 300 Wh/kg erreichen. | |
Samsung SDI | 2021Jahr | Im Jahr 2021 ist die Einführung der Batterieanode auf Siliziumbasis der zweiten Generation mit einem Siliziumgehalt von 7 % geplant, und die Batterie der dritten Generation mit einem Siliziumgehalt von 10 % wird voraussichtlich im Jahr 2024 auf den Markt kommen. | |
Auswertung des Erweiterungstests
Das Ausdehnungsproblem von negativen Elektroden auf Siliziumbasis ist das größte Hindernis für die breite Anwendung von negativen Silizium-Kohlenstoff-Elektroden. Die durch die Ausdehnung verursachte enorme Volumenänderung führt einerseits dazu, dass sich die innere Spannung der Elektrode ansammelt, was zu einer Pulverisierung der Elektrode führt, was die Zyklenleistung und Sicherheit der Batterie verringert, andererseits zu einer Volumenänderung Außerdem muss der SEI-Film der negativen Elektrode wiederholt gebildet werden, was zum Verlust der aktiven Lithiumquelle führt und die erste Coulomb-Effizienz verringert. Der Lithiumspeichermechanismus der siliziumbasierten negativen Elektrode ist die legierte Lithiumspeicherung. Im Gegensatz zur Graphit-Interkalation und Lithium-Interkalation führen Siliziumpartikel beim Legieren/Entlegieren zu einer enormen Volumenausdehnung und -kontraktion.15Und4Phase kann die entsprechende maximale Volumenexpansion 300 % erreichen; Die Zugabe von Sauerstoffatomen begrenzt die Reaktionstiefe der negativen Silizium-Sauerstoff-Elektrode. Obwohl die Expansionsrate auf 120 % reduziert werden kann, ist sie immer noch weitaus größer als die 10–12 % der negativen Graphitelektrode. Die enorme Volumenausdehnung führt zur Pulverisierung der Siliziummaterialpartikel, wodurch der elektrische Kontakt zwischen den Siliziumpartikeln und dem leitfähigen Mittel schlechter wird; Zweitens führt es zu einem kontinuierlichen Aufreißen und einer Regeneration des SEI-Films. Dieser Prozess verbraucht eine große Menge an aktivem Lithium und Elektrolyt, wodurch der Kapazitätsabfall und die Alterung der Batterie beschleunigt werden.
Die genaue Charakterisierung der Ausdehnungsdicke von Anodenbatterien auf Siliziumbasis zu verschiedenen Zeitpunkten während des Lade- und Entladevorgangs ist eine große Schwierigkeit, die Materialfabriken und Batteriefabriken derzeit plagt Die Skala der Batterie umfasst hauptsächlich die Messung des Mikrometers, die Messung des Filmdickenmessgeräts, die Messung des Laserdickenmessgeräts sowie die Messung der Fertigungswerkzeuge und des Drucksensors. Forscher ausHefeiGotion High-Tech Power Energy Co., Ltd.verwendeten das deutsche Mahr Millimar C1216, um die Wirkung des Bindemittels auf die Ausdehnung der negativen Elektroden von Lithium-Ionen-Batterien zu untersuchen[1]. Forscher der Tsinghua-Universität untersuchten mithilfe der Laserdickenmessung die Verformung der Polstücke und Zellen der Softpack-Batterie[2]. Die Schule der Energie vonSoochowUniversitätkooperierte mit den Forschern von Ningde New Energy und testete mit einem selbstgebauten Testgerät mit Drucksensor die Ausdehnungskraft der Beutelbatterie beim Laden und Entladen unter konstantem Spalt. Das verwendete Gerät ist in Abbildung 1 dargestellt[3].
Abbildung 1. Aufbau des Expansionsstresstests
Unter den oben genannten Methoden kann der In-situ-Test nicht mit einem Mikrometer, einem Filmdickenmessgerät oder einem Laserdickenmessgerät zur Messung der Ausdehnungsdicke des Polstücks durchgeführt werden. Es ist notwendig, die Batterie nach dem Laden und Entladen zu zerlegen und verschiedene Punkte für die Messung zu nehmen. Dies führt zu großen Abweichungen in den Ergebnissen und kann die Dickenänderungen des Polstücks während des Lade- und Entladevorgangs nicht genau wiedergeben. Die Methode zur Montage des Werkzeugs mit dem Drucksensor kann nur die Ausdehnungskraft der Batterie unter einem konstanten Spalt messen, nicht jedoch die Ausdehnungsdicke der Batterie in Echtzeit. Um die Dickenänderung des siliziumbasierten negativen Elektrodenmaterials während des Lade- und Entladevorgangs genauer zu messen, kann die Dicke und den Zustand des Polstücks oder der Batterie vor Ort mit einem optischen Mikroskop beobachten[4].
Basierend auf den tatsächlichen Testanforderungen von negativen Elektroden auf Siliziumbasis und den Vor- und Nachteilen verschiedener Testmethoden entwickelte das IEST unabhängig das In-situ-Schwellungsanalysesystem (SWE2110, IEST) und das schnelle In-situ-Schwellungsscreening für Anoden auf Siliziumbasis (RSS1400, IEST). Mithilfe von Modellknopfzellen werden In-situ-Schwellungstests auf Polstückebene durchgeführt. Gleichzeitig kann der In-situ-Zellenexpansionstest an Beutelbatterien mit einer bestimmten Dicke durchgeführt werden Dies ist nicht nur bequem zu bedienen, sondern spart auch erheblich Testkosten und verkürzt den Bewertungszyklus der Materialexpansion auf Siliziumbasis von ursprünglich Dutzenden Tagen auf 1-2 Tage. Das physische Bild von RSS1400 ist in Abbildung 2(a) dargestellt.
Abbildung 2. (a)Das schnelle In-situ-Quellscreening für siliziumbasierte Anoden (RSS1400, IEST)
(b) Quellungsvergleich von SiC-Materialien mit drei verschiedenen Strukturdesigns.
Zusammenfassung
Mit der rasanten Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien nehmen auch die Anwendungsabdeckung und der Marktanteil siliziumbasierter negativer Elektrodenmaterialien von Jahr zu Jahr zu. Die Expansion siliziumbasierter negativer Elektroden ist ein Schlüsselfaktor, der ihre schnelle Entwicklung behindert. Die effektive Überwachung der aktuellen Materialexpansionshemmungsmodifikation und Zellschichtexpansion steht ebenfalls im Mittelpunkt der Industrieentwicklung, für die die IEST RSS-Serie das schnelle In-situ-Schwellungsscreening durchführt Die Anode auf Siliziumbasis ist ein spezielles Gerät, das zur Überwachung der Ausdehnung von Materialien auf Siliziumbasis entwickelt wurde. Sie kann mit der Polstückebene kombiniert werden, um schnell die schnelle Bewertung verschiedener prozessmodifizierter Materialien zu realisieren, die als wirksames Materialmittel verwendet werden können Entwicklung und Wareneingangsüberwachung.
Referenzliteratur
[1] He Yuyu, Chen Wei, Feng Desheng, Zhang Hongli. Wirkung von Bindemittel auf die Schwellung der negativen Elektrode von Lithium-Ionen-Batterien [J]. Battery, 2017,47(03):169-172.
[2] Zhang Zhengde. Forschung zur Verformung flexibler Lithium-Ionen-Verpackungsbatterien [D]. Tsinghua-Universität, 2012.
[3] Niu Shaojun, Wu Kai, Zhu Guobin, Wang Yan, Qu Qunting, Zheng Honghe. Ausdehnungsspannung der siliziumbasierten negativen Elektrode in Lithium-Ionen-Batterien während des Radfahrens [J]. Energy Storage Science and Technology, 2022,11( 09):2989-2994.
[4] Jinhui GAO, Yinglong C, Fanhui M, et al. Forschung zur optischen In-situ-Mikroskopbeobachtung in Lithium-Ionen-Batterien[J]. Energiespeicherwissenschaft und -technologie, 2022, 11(1): 53.