ראשי » אנודות סיליקון, ומדוע כולם ישתמשו בהן

אנודות סיליקון, ומדוע כולם ישתמשו בהן

פרסומת
תאורת ניתוח לד למרפאות שיניים

הסוללות הגיעו לנקודת מפנה השנה כי למעשה מייצרים אנודות סיליקון והן עושות שני דברים. הם מכפילים את טווח חבילות הסוללות, והם מאפשרים טעינה מהירה להפליא.

ראשית הרשו לי לומר שכמעט כל התקדמות בסוללות כרוכה בכימיה בסיסית שהייתה ידועה לפני עשרות שנים. ליתיום, סיליקון, נתרן וגופרית זוהו כולם כחומרי סוללה פנטסטיים. עם זאת, הבעיה היא תמיד בפרטים. כל אלה נוסו, וזה היה רק ​​מזל שבשנות ה-90, קתודות ליתיום-יון ואנודות גרפיט התבררו כשילוב הגדול הראשון שעבד היטב, וניתן להגדיל אותם לייצור המוני במחיר סביר. .

לדוגמה, אפילו עם האפשרויות הכימיה בצד, הבטיחו לנו "סוללות מוצק" כבר למעלה מעשור. הם למעשה קיימים כבר במעבדות, יחד עם דגימות יקרות מאוד שעובדות עכשיו בתחנת החלל הבינלאומית. הבעיה היא להבין איך מייצרים המוני SSB גדולים, ולעשות זאת בזול.

רוב המחקר בתחילת שנות ה-2000 היה על שיפור הקתודה החיובית, על ידי כוונון כימיית הליתיום עם "NCM" שהוא ניקל, קובלט ומנגן. מאמצים גדולים הושקעו בהפחתת כמות הקובלט בשימוש מכיוון שהוא נדיר, וחלק ניכר ממנו נכרה בתנאים איומים באפריקה. עוד בשנת 2019, כתבנו כיצד קתודות NMC532 (5% ניקל, 3% מנגן ו-2% קובלט) נראות כעת כאילו הן יחזיקו מעמד 20 שנות שימוש (כדי לראות את המאמר, לחץ כאן). שמתי לב במסמכים שחקרתי, שקבוצת כימיה זו בעלת שלושה תוספים נקראת לעתים קרובות כימיה "טרנרית".

לפני כעשר שנים, כמות עצומה של כסף החלה לזרום למחקר על האנודות של סוללות, האלקטרודה ה"שלילית". המחקר הזה נמשך, אבל לפני כמה שנים, לסיליקון הייתה פריצת דרך, ועכשיו כולם קופצים על זה, כי ההשפעה המיידית היא שהסוללות מכפילות את הקיבולת שלהן, וזמני הטעינה מהירים להחריד (כאשר שיפורים עתידיים צפויים) . התרשים שלמעלה מייצג אלפים של פטנטים שהוגשו בנוגע לחומרים ולתהליכים שיאפשרו לאנודות סיליקון לפעול.

הגרפיקה למעלה מראה מדוע סיליקון, נתרן וגופרית נחקרים מאוד. כולם טומנים בחובם כמות עצומה של פוטנציאל להגדלה דרמטית של טווח החבילות. ו…אם רכב חשמלי חסכוני צריך רק 100 מיילים של טווח, סוללה כזו יכולה להיות קטנה מאוד, קלה וזולה הרבה יותר. נתרן וגופרית ממשיכים להיחקר, אבל השימוש בסיליקון באנודה הוא הסיפור הגדול לשנת 2024.

התמונה למעלה היא תמונת מיקרוסקופ אלקטרונים של אנודה של 90% גרפיט שהושרה ב-10% סיליקון, מאחד הניסויים המוקדמים. "בתיאוריה" השילוב הזה "יכול" להגדיל את טווח החבילה, והוא יכול להתבצע באמצעות הציוד הקיים לבניית תאים. כאן הבעיה הגדולה עם הסיליקון באנודה הרימה את ראשה המכוער.

כאשר אנודת גרפיט נטענת, היא יכולה להתנפח פיזית בכ-10%, דבר שניתן לניהול באמצעות עיצוב מתחשב של בנייה. האנודה עם הסיליקון תפחה ליותר מ-300%, והיו לה אורך חיים קצר מאוד.

לפני שאני נכנס לשתי החברות, אני רוצה להדגיש בהמשך, תכונה אחת משותפת של אנודות הסיליקון החדשות היא שהן דקות יותר מאנודות הגרפיט הנפוצות. גרפיט הוא סוג של פחמן שזול יחסית וקל לרכישה. מסיבות שעדיין לא מצאתי, הם מיושמים בציפוי שהוא רק בעובי של שכבת צבע, ובכל זאת ניתן ליישם את חומר האנודה מסיליקון אפילו דק יותר, כפי שניתן לראות בהמשך. "Cu" הוא הקיצור היסודי של נחושת, ועובי הנחושת הוא בערך 1/4 מילימטר.

יכול להיות שיש עוד כמה דרכים לגרום לסיליקון לעבוד באנודה, אבל… נאמר, נעבור לשתי הגישות שמצאתי עד כה, מאמפריוס ו-Storedot.

____________________________________________

אמפריוס טכנולוגיות

זוהי חברה אמריקאית שבסיסה בפרמונט, קליפורניה. נוסדה בשנת 2008 ומבוססת על טכנולוגיה שפותחה באוניברסיטת סטנפורד. כשהמוצר שלהם היה בשל מספיק כדי להתחיל לייצר אותו, ברייטון, קולורדו נבחרה למתקן הייצור שלהם (צפון מזרח דנבר).

שתי החברות החליטו להתמודד עם סוגיית הנפיחות על ידי יצירת סוג של כלוב סיליקון בקנה מידה ננו, שנבנה בגודל האנודה כשהיא מתנפחת, וכדי שיוני הליתיום יאכלסו ולאחר מכן ישאירו את החללים בהתאמה שלהם. כלובים, במהלך הטעינה והפריקה.

אמפריוס פיתחה תהליך ייצור שגורם לסיליקון להצטבר על האספן כ"ננו-חוטים" אנכיים כמו יער מיקרוסקופי של עצים ישרים. יוני הליתיום נאספים בצידי הננו-חוטים, כמו קליפת עץ.

מכיוון שרוב הנפיחות ממלאת את החלל הפנוי לרוחב, הצמיחה האנכית הייתה ניתנת לניהול. עם זאת, המבנה הפיזי של הסיליקון הפחית את ה"רווחים" הפוטנציאליים של האנודה, כך שבמקום לייצר פי ארבעה תיאורטי של האנרגיה לנפח, הגרסה הראשונית עשויה רק ​​להכפיל את טווח הסוללות.

עם זאת, שדרת מחקר מבטיחה מקווה ליצור שכבה שנייה של "עצים" על גבי השכבה הראשונה.

אם עדיין לא שמעתם הרבה על אמפריוס, "נראה כאילו" רוב המאמצים הראשוניים שלהם מתמקדים בהבטחת חוזים צבאיים, למרות השוק העצום בעולם האזרחי למכוניות EV, מטוסים, מחשבים ניידים, כלים אלחוטיים , וטלפונים חכמים.

____________________________________________

StoreDot

StoreDot הייתה חברת סוללות קטנה ב-2012, עם התמקדות בסוללות לטלפונים חכמים. עם זאת, הם החליטו שהפוטנציאל של שימוש בסיליקון באנודה של סוללת ליתיום יהיה שיפור כזה, שהם צריכים להשקיע כדי להבין איך לגרום לזה לעבוד. זה היה הימור גדול, כי אתה יכול להוציא שנים ומיליוני דולרים כדי להביא רעיון לייצור, רק כדי לגלות שהבעיות פשוט קשות מדי לפתרון.

הם הגיעו לאותה מסקנה כמו אמפריוס בכך שהם יצרו כלובי סיליקון עם חללים שיכולים להחזיק ולשחרר יוני ליתיום. ככל ש-StoreDot רצו לחקור את הכפלת הטווח בסוללות שלהם, ההתמקדות העיקרית שלהם הייתה בטעינה מהירה. עכשיו, כשהם מרגישים שהטכנולוגיה שלהם בוגרת מספיק לייצור, הם גם עבדו על הגדלה לגודל EV רכב, והם הצהירו ש"טעינה מהירה קיצונית" שלהם יכולה להוסיף 100 מייל של טווח EV ב חמש דקות של זמן הטעינה. אני לא שש להשתמש במילים כמו "מדהים", אבל פשוט אין דרך אחרת לתאר את זה.

כעת, הסוללה המרשימה הזו משתמשת בקתודה (אלקטרודה חיובית) קונבנציונלית למדי של כ-90% ליתיום-יון על אספן סטנדרטי בסגנון סרט אלומיניום, והחומר הנותר הוא "NMC", כלומר סט תוספים נפוץ למדי העשוי מניקל , מנגן וקובלט. StoreDot הצהירה שהכימיה הספציפית שלהם משתמשת ב-NMC ביחס של 8, 1, 1, כלומר 8% ניקל ו-1% כל אחד של מנגן וקובלט.

הקתודה (אלקטרודה שלילית) היא חומר שמוחל על אספן רדיד נחושת. StoreDot הצהירה כי החומר הוא 40% ננו-חלקיקי סיליקון (עם כמות קטנה של פח), המיושמים על בסיס של גרפן וגרפיט (שניהם מבוססי פחמן). הקסם הוא בהכנת חלקיקים בגודל ננו של סיליקון שכולם באותו גודל וצורה (וזה לא קל), וחיבורם בתבנית אחידה, מה שמביא לגידול עצום של שטח הפנים בקתודה. זה אולי נראה חלק בעין בלתי מזוינת, אבל במיקרוסקופ, שטח הפנים המוגדל מגדיל את קיבולת האנרגיה וגם את המהירות שבה ניתן לטעון אותו.

מספר גורמים מבדילים את המוצר של StoreDot מסוללות אחרות. יש להם מפריד מצופה קרמי בעל פטנט נקבובי מאוד, ושכבת אינטרפאזית אלקטרוליט מוצקה העשויה מפולימר קנייני. הם קוראים לזה "מצב מוצק למחצה" שלהם. הם חקרו סוללות מצב מוצק (כמו כולם), אבל המחסומים התבררו כקשים מדי לתיקון, והדברים שגילו בדרך יובילו אותם לכימיה הזו.

תאי צפיפות האנרגיה הגבוהה שלהם נשלחים בפורמט פאוץ' לשותפי ה-OEM העולמיים של StoreDot לבדיקות בעולם האמיתי, עם 300 WH/קילוגרם ו-700 WH/ליטר. התאים מציגים את ביצועי הטעינה המובטחים של "100 ב-5", המאפשרים לנהגים להטעין 100 מייל של טווח עבור כל 5 דקות של טעינה.

תאים אלה נטענו שוב ושוב מ-10% ל-80% קיבולת תוך 10 דקות בלבד ולאחר מכן פורקו למשך שעה אחת לפני הטעינה מחדש. תאי ה-EV השיגו יותר מ-1000 ממחזורי הטעינה הקיצוניים הללו ברציפות לפני שירד מתחת ל-80% מסף הקיבולת המקורי. לא התרחשה השפלה בולטת במהלך 600 המחזורים הראשונים. התאים הפגינו קצב טעינה של 4.2C, בעוד שהם שוחררו בקצב פעולה של 1C.

StoreDot הצהירה עוד כי הם יספקו דגימות אימות הן בצורת כיס והן בתא גלילי 4680. האנודה הצפופה בסיליקון שלהם תואמת גם לכימיה של ליתיום-ברזל-פוספט/LiFePO4/LFP, הפופולרית בסין.

StoreDot מבוססת בישראל, והם התקשרו עם Eve Energy בסין לייצור הסוללות שלהם. הסוללות שלהם היו מרשימות מספיק כדי ש-PoleStar, Daimler, Geely ו-Volv כבר חתמו על חוזים עם StoreDot.

____________________________________________

נכתב על ידי Ron/Spinningmagnets, יולי 2024

בסדר, אז… המאמר הסתיים, והחתימה והתאריך נוספו. אז למה אני עדיין כותב כאן? חשבתי שכמה מהקוראים שלנו עשויים להתעניין מדוע לקח כל כך הרבה זמן להבין איך לגרום לסיליקון לעבוד על האנודה. היו אלפי ניסויים שלוקח זמן, מאמץ וכסף להקים. מאז הומצאו תהליכים חדשים לגמרי (עם כשלים רבים לאורך הדרך, כלומר הניסוי הבא הצריך מכונה חדשה לגמרי וחדשה…



קישור לכתבת המקור – 2024-07-06 18:41:58
Facebook
Twitter
LinkedIn
Telegram
WhatsApp
Email
פרסומת
מיגון רנטגן למרפאות שיניים
פרסומת

עוד מתחומי האתר