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这里是锂离子电池吗?具有硅阳极的锂离子电池的承诺

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研究人员争相寻找新的和不同的方法来提高锂离子电池的稳定性和使用寿命,公司已准备好进行投资。

多年来,锂离子电池一直是行业的主要产品。在许多人寻找替代能源的地方,其他人寻找增强现有技术的方法。从添加锌  到添加钴  到开发新的电池结构,大量的研究资金被用于提高锂离子电池的能量密度,  同时使它们更安全和更小。

该领域的另一个竞争者是由硅组成的电池阳极的概念,这增加了锂离子电池能量密度大幅增加的可能性。

 

用于锂离子电池的硅基阳极

当锂离子电池充电时,锂离子流到阳极上,在大多数情况下,阳极现在由碳组成。这些离子和碳形成富含能量的复合物,随着电池放电,随时可以分解以释放电能。给定量的储存能量需要产生相应体积的锂和碳化合物。

锂离子电池研究的一个新领域涉及用主要由硅组成的阳极代替碳阳极。随着电池充电,形成能量密集的锂和硅化合物。

关键的区别在于,给定量的能量可以存储在比先前已经存储在锂碳复合物中的更小体积的锂和硅中。

结果是,为了存储任何量的能量,基于硅阳极的必要电池的体积将小于其前体的碳阳极。

问题是硅阳极在充电时变大,随着放电再次变小。阳极尺寸的这种打蜡和减弱会导致电池结构损坏,从而导致故障(半导体社区)。

 

在充电 - 放电循环期间停止硅阳极的破坏

2017年由挪威科技大学的Marte Skare撰写的论文中描述了这种电池尺寸问题的可能解决方案。该建议可以从论文题目中得出:“硅纳米粒子的控制氧化物和碳涂层作为锂离子电池阳极的方法”。

不使用元素硅,而是使用硅纳米颗粒。它们被涂覆,与碳一致,并且涂层减少了电极的膨胀,使得硅电极的使用更加合理。

 

用碳涂覆。图片来自挪威科技大学

 

此外,研究方向还在于德国基尔的基尔大学,该大学声称其材料科学研究所 30多年来一直在研究硅作为能源。2017年,他们推出了所谓的PorSSi项目,缩写为用于锂 - 硫 - 硅储能的多孔硅膜阳极。该项目与RENA Technologies合作

 

固体硅片。来自基尔大学的图片

 

根据PorSSi项目负责人Sandra Hansen博士的说法,“从理论上讲,硅是电池中阳极的最佳材料。它可以储存比传统锂离子电池中石墨阳极高10倍的能量。” Hansen相信硅的潜力的部分原因在于它非常丰富,仅次于氧气。

 

锂离子永远?电池与其他能源

说到资源丰富,硅基电池需要与寻求提高资源效率的其他能源竞争。

目前,不是立即需要的太阳能或风能用于将水泵送到容纳向上几层的容器。然后,当太阳不发光并且风不吹时,允许升高的水下降回地面,以位于瀑布底部的发电机的方式发电。

在伦敦帝国理工学院进行的一项研究预测,在可预见的未来,改进的锂离子电池将超过抽水和机械顺应性作为飞轮的效率。怎么样?

根据该学院的可持续能源系统讲师Iain Staffell博士的说法,“我们发现锂离子电池跟随着晶体硅太阳能电池板的脚步。”Staffell博士也指出锂离子电池也是如此。 ,当他们第一次被释放时非常昂贵。这意味着它们最初的使用量非常有限,尽管它们目前的受欢迎程度意味着它们的制造量随着成本的下降而增长。 

无法预测抽水和其他机械技术会降低成本。下面是各种能源技术随时间推移的最低存储成本(LCOS)等因素的视频图表截图。

 

随着时间的推移存储成本最低。查看帝国理工学院的完整视频 

 

其他从事锂离子电池用硅电极的组织

这是一个研究领域,很可能会在不断扩大的锂离子电池应用领域引起重大变化。这些努力的影响可能很快就会显现出来,因为它不仅涉及大学,而且也是利润激励的组织。正如所预料的那样,细节不会出现。

一些例子包括:

  • Enovix是一家为硅锂离子电池开发“3D电池架构”的公司,他们声称能量密度提高了30%-80%。从英特尔和高通公司支持Enovix这一事实来看,不仅对公用事业规模存储感兴趣的实体有兴趣提高LiB的能量密度ICfans

  • Enevate正在开发考虑汽车行业的硅电极电池 。Enevate的部分资金来自Renault-Nissan-Mitsubishi的战略风险投资部门Alliance Ventures。

  • Sila Nanotechnologies强调了电池制造商在不改变现有生产设备的情况下实施硅主导电池变更的能力。 

这三家公司的支持者和目标都证明了硅电池已经发展到了多远。

因此,尽管锂离子电池在过去几年中已经受到了一些冲击,但凭借其着名的  商用设备爆炸能力,它们有可能在未来几年内成为整个行业的首选电源。