محصول | تعداد | ||
---|---|---|---|
0 | (ریال)جمع کل |
آینده تحقیقات در زمینه باتری سیلیکونی چیست باتری سیلیکونی نوعی باتری لیتیوم یونی است که از آند مبتنی بر سیلیکون و یونهای لیتیوم به عنوان حامل شارژ استفاده میکند. این باتری دارای چندین مزیت نسبت به انواع دیگر باتریها از جمله چگالی انرژی، ایمنی و هزینه است. با این حال، در درجه اول به دلیل هزینه بالای آن، هنوز به طور گسترده مورد استفاده قرار نمیگیرد.
تراکم انرژی
یکی از چالشهای اصلی برای توسعه سلولهای Si پر انرژی، فقدان پروتکلهای تست استاندارد است. عدم وجود پروتکلهای تست استاندارد میتواند منجر به سادهسازی بیش از حد نتایج شود که منجر به اغراق و سوء تفاهم میشود. علاوه بر این، رویکرد مورد استفاده در یک سیستم ممکن است در سیستم دیگر اعمال نشود. مواد باتری جدید، طرحهای الکترود و استفاده از سلولهای نیمه/پر ممکن است به روشهای تست کاملا متفاوتی نیاز داشته باشند.
باتریهای سیلیکونی حالت جامد جایگزین امیدوار کنندهای برای باتریهای لیتیوم یونی هستند. آنها میتوانند یونهای لیتیوم بیشتری نسبت به آندهای مبتنی بر گرافیت معمولی ذخیره کنند. برخلاف باتریهای مبتنی بر گرافیت، باتریهای مبتنی بر سیلیکون دارای چگالی انرژی بالاتری نیز هستند. با این حال، برخی از تولیدکنندگان باتریهای لیتیوم یونی از بخش کوچکی از سیلیکون در باتریهای خود استفاده میکنند که عملکرد آنها را محدود میکند. در مقابل، رویکرد GDI از 100% سیلیکون در باتریهای خود استفاده میکند که در نتیجه عملکرد بسیار بهتری دارد و خطر تشکیل دندریت لیتیوم را کاهش میدهد.
استفاده از آندهای تمام سیلیکونی یک جایگزین امیدوارکننده برای بهبود چگالی انرژی است. این آندها در یک الکترولیت جامد پایدار هستند و ۸۰ درصد ظرفیت خود را پس از ۵۰۰ سیکل شارژ و دشارژ حفظ میکنند. آنها همچنین امکان شارژ و دشارژ سریعتر را فراهم میکنند و تراکم انرژی را بهبود میبخشند.
توسعه سلولهای سیلیکونی، سلولهای بر پایه سیلیکون و سلولهای مشتق شده از سیلیکون (Si/SiB/Si-D) با چگالی بالا توجه قابل توجهی را از سوی جامعه تحقیقاتی دانشگاهی و صنعتی به خود جلب کرده است. انتظار میرود این سلولها در آینده برای وسایل نقلیه الکتریکی و ادغام کارآمد منابع انرژی تجدید پذیر مهم باشند. با این حال، هنوز چالشهای فنی زیادی در ارتباط با توسعه سلولهای Si/Si-B/Si-D وجود دارد.
توسعه یک باتری سیلیکونی با چگالی انرژی بالا در حال حاضر به پروژههایی در مقیاس کوچک محدود شده است. با این حال، برخی از شرکتها این فناوریها را تطبیق دادهاند و آماده انجام پروژههای بزرگتر هستند. به عنوان مثال، کامپوزیت سیلیکون کربن اختصاصی SCC55(tm) مر بوط به استارتاپ Group14 Technologies دارای چگالی انرژی حجمی ۵۰ درصد بیشتر از باتریهای لیتیوم یونی مبتنی بر گرافیت است. علاوه بر این، این باتریها را میتوان در مدت زمان ۱۰ دقیقه تا ۸۰ درصد ظرفیت شارژ کرد.
یکی دیگر از پیشرفتهای امیدوارکننده در توسعه باتریهای لیتیوم یونی، توسعه آندهای ساخته شده از سیلیکون 100 درصد فعال است. علاوه بر شرکت انوویکس، شرکت آمپریوس نیز به دنبال این فناوری است. این شرکت در حال توسعه باتری های EV با آند نانوسیم سیلیکونی ارزان قیمت است. علاوه بر این، بودجه فدرال را نیز برای پروژه خود تضمین کرده است.
ایمنی
ایمنی باتریهای سیلیکونی موضوع مهمی برای توسعه باتریهای لیتیوم یونی است. این باتریها برای تامین چگالی انرژی بالا مورد نیاز هستند. آندهای مبتنی بر سیلیکون با چالشهای مختلفی در LIBها مواجه هستند، از جمله تغییرات حجم زیاد و پودر شدن الکترود. آنها همچنین از کاهش سریع ظرفیت رنج میبرند. زمانی که باتریها در معرض دمای بالا و چرخههای طولانی مدت قرار میگیرند این مشکلات ممکن است به خطرات ایمنی منجر شود. بنابراین، پرداختن به رفتار حرارتی آندهای مبتنی بر سیلیکون برای باتریهای لیتیوم یونی با ایمنی بالا ضروری است.
شکل ۱. شکستگی و ترک خوردن سیلیکون در حین لیتیوم دار شدن
باتریهای سیلیکونی دارای ویژگیهای ایمنی متنوعی هستند. آنها شامل یک دستگاه ترمیستور (PTC) هستند که در برابر نوسانات جریان بالا از باتری محافظت میکند، یک قطع کننده مدار که مسیر الکتریکی را هنگام رسیدن به ولتاژ شارژ بیش از حد باز میکند، یک دریچه ایمنی که اجازه میدهد گاز در صورت افزایش سریع فشار در سلول خارج شود، و مدار حفاظت الکترونیکی خارج از سلولها که یک کلید حالت جامد را در 4.30 ولت باز میکند. در نهایت وقتی دمای سطح به 90 درجه سانتیگراد میرسد، یک فیوز جریان را قطع میکند.
مرحله بعدی برای فناوریهای باتری سیلیکونی، انتقال از تحقیقات به تجاری سازی است. بسیاری از تیمها در مراحل اولیه توسعه خود بیش از حد خوش بین هستند، اما واقعیت این است که موفقیت تجاری به چندین ایده، هزاران تکرار و بسیاری از درسهای سخت نیاز دارد. برای غلبه بر این چالش، شرکتها باید از همان ابتدا توسعه فرآیند را یکپارچه کنند. در غیر این صورت، آنها با عوارضی مواجه میشوند که ممکن است هزینههای محصولاتشان را بالا ببرد.
هزینه
هزینه تولید باتری سیلیکونی در مقایسه با انواع دیگر باتریها نسبتاً ارزان است. هزینه ساخت این نوع باتری کمتر از باتریهای گرافیتی است و قابل مقایسه با باتریهای لیتیوم یونی است. با این حال، این نوع باتری دارای معایبی است. یکی از معایب این است که تمایل به افزایش حجم دارد.
نانوسیمهای سیلیکونی میتوانند مستقیما روی گرافیت تجاری ذوب شوند. این روش میتواند هزینه ساخت باتریها را بیش از ۳۰ درصد کاهش دهد. این یک راه حل خوب برای شرکتهای باتری است که نیاز به صرفه جویی در هزینه دارند، به خصوص که ماده فعال گرانترین جزء است. انتظار میرود تولید باتری سیلیکونی تا سال ۲۰۲۵ کمتر از ۱۰۰ دلار در هر کیلووات ساعت هزینه داشته باشد. این فناوری توانسته عملکرد باتری را بهبود بخشد.
قیمت این نوع باتری بر اساس دو عامل اصلی تعیین میشود. اول، چگالی انرژی باتری. هر چه چگالی انرژی باتری بیشتر باشد، هزینه آن کمتر است. دوم، به مواد غیرفعال کمتری نیاز دارد. بنابراین، هزینه کلی یک باتری سیلیکونی کمتر از باتریهای قبلی است.
کاهش هزینهها باعث شده است که قیمت باتریها در سالهای اخیر به سرعت کاهش یابد. در نتیجه، پیشبینی دقیق هزینه برای پژوهش در دانشگاه و صنعت مهم است. علاوه بر این، کاهش هزینهها همچنان ادامه خواهد داشت. با فرض اینکه ضخامت کاتد بیشتر باشد و بارگذاری گوگرد بیشتر باشد، هزینه باتری سیلیکونی همچنان کمتر از باتری لیتیومی است. با این حال، قیمت باتری لیتیوم یونی به انرژی خاصی که میتواند تولید کند بستگی دارد. بسته به ضخامت کاتد، میتواند به ازای هر کیلووات، ۸۰ دلار هزینه داشته باشد.
برنامههای کاربردی
تیم PNNL یک فرآیند مقیاس پذیر برای تهیه سیلیکون متخلخل به اندازه میکرون توسعه داده است. این تکنیک بازده بالایی از سیلیکون متخلخل را تولید میکند در حالی که دمای ثابتی را در طول فرآیند زدایش (etching) حفظ میکند. همچنین اجازه میدهد تا عامل زدایش تحت بازیابی و استفاده مجدد قرار گیرد. این تیم همچنین یک الکترولیت با غلظت بالا یا LHCE ایجاد کرده است که به طور خاص برای آندهای سیلیکونی طراحی شده است. این فرمول به طور قابل توجهی جریان نشتی را کاهش میدهد و عمر چرخه باتریهای لیتیوم یون را افزایش میدهد.
به منظور دستیابی به بهترین عملکرد ممکن برای باتری لیتیوم یونی، محققان از یک مایع یونی و یک آند سیلیکونی استفاده میکنند. آند سیلیکون به عنوان یک آند عمل میکند، در حالی که الکترود شمارنده یک دیسک کوچک از فویل فلزی لیتیوم است. این دو در فشار بالای ۱۲۰ مگاپاسکال به هم فشرده میشوند. سلول حاصل به عنوان سلول دو الکترودی شناخته میشود.
این فناوری باتری توسط تیمی به رهبری پروفسور Ein-Eli، دانشمند مؤسسه فناوری Technion توسعه یافته است. هدف از این برنامه تولید یک سیستم بسته باتری لیتیوم یون با ظرفیت 235 وات ساعت بر کیلوگرم است. این معادل پانزده سال عمر و 500 سیکل دشارژ است.
استفاده از SiOx به عنوان آند تکنیک دیگری برای تولید باتریهایی با چگالی بالا است. SiOx نوعی ماده معدنی است که چگالی انرژی بسیار بالاتری نسبت به گرافیت دارد. همچنین دارای انبساط حجم زیاد و افت ظرفیت غیر قابل برگشت کمی است. به طور کلی، دستیابی به راندمان کولمبی بالا با سیلیکون دشوار است. در نتیجه، بسیاری از سلولهای تجاری از مقادیر کمی SiOx به عنوان یک افزودنی به آندهای گرافیت استفاده میکنند. این روشها دستاوردهای متوسطی در ظرفیت سلولی دارند.
پیشرفتهای این فناوری بر اساس تحقیقات گسترده جهانی صورت گرفته است. سیستمهای با کیفیت بالا در حال حاضر به صورت تجاری در دسترس هستند. علاوه بر این، علاقه روزافزون به خودروهای الکتریکی، توسعه باتریهای لیتیوم یون قابل شارژ کوچک را تسریع کرده است. این باتریها به گونهای طراحی شدهاند که وزن سبکی داشته باشند، اما هنوز بسیار گران هستند.
شرکتهای سازنده باتریهای سیلیکونی
باتریهای سیلیکونی نوع نسبتا جدیدی از باتریها هستند و رشد آنها عمدتا توسط صنعت خودرو انجام میشود. این باتریها دارای مزایای متعددی مانند چگالی انرژی بالا و طول عمر بالا هستند. این باتری در میان دستگاههای پوشیدنی مانند ساعت و دوچرخه های الکترونیکی نیز محبوب است. در میان کشورهای آسیای، کشور چین مصرفکننده و تولیدکننده عمده باتریهای لیتیوم یونی است و استفاده روزافزون آن از وسایل نقلیه الکتریکی باعث افزایش تقاضا برای این باتریها میشود.
از آنجایی که تقاضا برای باتریهای سیلیکونی همچنان در حال افزایش است، شرکتهایی که این باتریها را توسعه میدهند بر روی توسعه فرآیندهای تولید تمرکز میکنند. این تحولات با هدف کاهش هزینهها و افزایش ظرفیت انجام میشود. پیش بینی میشود این تحولات باعث رشد بازار در سالهای آینده شود. چندین بخش در بازار باتری آند سیلیکونی وجود دارد: شکل، کاربر نهایی و منطقه. بخشهای مصرف کننده نهایی شامل لوازم الکترونیکی مصرفی، خودروسازی و هوافضا است.
یکی از بزرگترین شرکتهایی که باتریهای سیلیکونی تولید میکند، نکسان است. این شرکت مواد سیلیکونی مهندسی شده را برای کاربردهای مختلف باتری، از جمله باتریهای لیتیوم یونی توسعه میدهد. این شرکت دارای مجموعهای از باتریهای سالم است. علاوه بر این، شرکت سیلا نانوتکنولوژی، که در سال ۲۰۱۱ تأسیس شد، محصولات آند سیلیکونی را برای فرآیندهای تولید باتری موجود ارائه میدهد.
یکی دیگر از شرکتهای سازنده باتریهای سیلیکونی Coretec Group, Inc است. این شرکت در حال توسعه یک آند سیلیکونی برای باتریهای لیتیوم یونی است. این شرکت همچنین سیلیکون مهندسی شده را برای نمایشگرهای حجمی سه بعدی توسعه میدهد. همچنین از نام تجاری جدید Endurion رونمایی کرده است. این فناوری حوزه امیدوارکنندهای است و صنعت باتری اذعان میکند که سیلیکون مرز بعدی در این صنعت است.
با استقبال رو به رشد خودروهای الکتریکی، نیاز به باتریهای لیتیوم یونی همچنان افزایش مییابد. فناوری آند سیلیکون به تولیدکنندگان کمک میکند تا تقاضای رو به رشد را برآورده کنند. همچنین چگالی انرژی و طول عمر باتری را افزایش میدهد.
چه قطعات سیلیکونی برای ساخت الکترودهای مورد استفاده در باتریهای لیتیوم یونی استفاده میشوند؟
دانشمندان آزمایشگاه برکلی یک اتصال دهنده پلیمری با رسانایی بالا اختراع کردهاند که به طور قابل توجهی رسانایی الکتریکی سیلیکون مورد استفاده در تولید باتریهای لیتیوم یون را بهبود میبخشد. هدف اصلی این پروژه ایجاد امکان توسعه یک روش جدید برای کنترل همزمان مواد سیلیکونی سطح و مورفولوژی الکترودها بود. این کار پتانسیل استفاده از این ماده را در کاربردهای مختلف مانند سلولهای خورشیدی، باتریها و فتوولتائیکهای خورشیدی نشان میدهد.
الکترودهای باتری لیتیوم یون با یک شبکه سیلیکونی سه بعدی کانالی را نشان میدهند که از طریق آن لیتیوم به طور موثر از الکترود به الکترود منتقل میشود. ستونهای سیلیکونی، در سلولهایی که به عنوان الکترود برای باتریهای لیتیوم یون عمل میکنند، به منظور جدا شدن الکترود از سطح سلول باتری لیتیوم یونی استفاده میشوند.
شکل ۲. الکترودهای باتری لیتیوم یون سه بعدی، کانال هایی را برای حرکت لیتیوم به الکترود فراهم می کنند.
این عوامل میتواند مقیاس الکترودهای کامپوزیت سیلیکونی با کارایی بالا را برای تولید باتریهای لیتیوم یونی نسل بعدی امکان پذیر کند. این عوامل میتوانند هزینه تولید نسل بعدی باتریهای لیتیوم یونی را به میزان قابل توجهی کاهش دهند و امکان تولید آنها را با قیمت بسیار پایینتری نسبت به کامپوزیتهای سیلیکونی معمولی فراهم کنند.
این عوامل میتوانند به الکترودهای کامپوزیت سیلیکونی با کارایی بالا اجازه تولید باتریهای لیتیوم یونی نسل بعدی را با قیمتی بسیار پایینتر از کامپوزیتهای سیلیکونی معمولی بدهند. باتریهای لیتیوم یون تجاری فعلی از کاتدهای اکسید لیتیوم-کبالت ساخته میشوند، اما به مواد پیشرفته کاتد و آند نیاز است.
سه نمونه از مواد آندی، گرافیت، سیلیکون و آندهای کربن فعلی مورد استفاده در باتریهای لیتیوم یونی هستند. مشاهده شده است که سیلیکون را میتوان به عنوان یک ماده آند فعال به جای گرافیت استفاده کرد، همچنین میتوان از آن به عنوان ماده الکترود فعال در باتریهای لیتیوم یون استفاده کرد. در سال ۲۰۱۰، چان و همکاران در مورد اولین نانوسیمهای سیلیکونی مبتنی بر سیال فوق بحرانی-مایع-جامد (SFLS) برای روشهای باتری لیتیوم یونی گزارشی ارائه دادند. آند با نانوسیمهای ژرمانیوم میتواند ظرفیت ذخیره انرژی باتری لیتیوم یونی را تا 50 درصد افزایش دهد.
دکتر Molina-Piper همچنین گفت: “ما در حال توسعه نوع جدیدی از الکترود باتری لیتیوم یون برای استفاده در وسایل نقلیه الکتریکی هستیم. ما بر روی جایگزینی کربن با سیلیکون در باتریهای لیتیوم یون تمرکز کردهایم و در تلاش برای تسخیر بازار برای نسل بعدی باتریهایی با کارایی بالا و هزینه پایین هستیم. سیلیکون مزایای زیادی نسبت به مواد معمولی مورد استفاده برای الکترودهای لیتیوم یونی دارد. ارزش آن در الکترودهای مبتنی بر کربن است که معمولا به عنوان الکترودهای منفی در باتریهای لیتیوم یونی تجاری استفاده میشوند، اما همچنین در انواع کاربردهای دیگر مانند سلولهای خورشیدی نیز استفاده میشوند.
شکل 3. شکلی که قابلیت مقیاسبندی SiILion را نشان میدهد.
تعدادی از شرکتها از جمله سیلا، انوویکس، انویت و انگسترون متریال در حال حاضر در تلاش برای ساخت آندهای سیلیکونی با کارایی بالا هستند که از نظر تئوری میتوانند تا ۱۰۰۰ برابر گرافیت انرژی ذخیره کنند. به طور کلی اعتقاد بر این است که سیلیکون، هنگامی که به عنوان یک ماده آند فعال در سلولهای لیتیوم یونی استفاده میشود، میتواند چگالی انرژی بسیار بالاتری نسبت به گرافیتهای مورد استفاده فعلی داشته باشد، مگر اینکه جنبههای دیگری از شیمی باتری در نظر گرفته شود. یک آند سیلیکونی میتواند ظرفیت انرژی باتری لیتیوم یون را تنها در چند سال دو برابر کند. سیلیکون امیدوارکنندهترین گزینه برای جایگزینی گرافیت است زیرا دارای بالاترین نسبت انرژی به وزن در بین تمام موادی است که در حال حاضر در باتریها استفاده میشود و ولتاژ دشارژ تقریبا متناظر دارد.
این ویژگیهای ضروری و بسیار مطلوب، کامپوزیتهای Si-C را چنان جذاب میکند که میتوان آنها را به عنوان آند برای باتریهای لیتیوم یونی قابل شارژ در نظر گرفت. بر اساس مطالعهای که توسط سیلا و انوویکس انجام شد، نانوسیمهای سیلیکونی عملکرد و پایداری الکتروشیمیایی بسیار خوبی را هنگام استفاده به عنوان آند باتریها در باتریهای لیتیوم یونی نشان دادهاند.
سیلیکون پوشش داده شده با کربن به عنوان آند برای باتریهای لیتیوم یون: آندهای لایه نازک سیلیکونی موفقترین ساختارهای سیلیکونی هستند که در مطالعات باتری لیتیوم یون استفاده میشوند. استفاده از سیلیکون به شکل نانوذرات: این ساختار در هنگام جذب یونهای لیتیوم، فشار ناشی از انبساط را بهتر تطبیق میدهد.
شکل ۴. شکل شماتیک مواد آندی بر پایه سیلیکون/کربن
چنین ساختارهای سیلیکونی میتوانند تمام ساختارها و خواص فیزیکی مورد نیاز برای تشکیل یک آند باتری لیتیوم یون و یک آند لایه نازک را داشته باشند. روشهای فوق میتوانند ساختارهای نانولولهای سیلیکونی را بدون دخالت الگوها ایجاد کنند، اما آنها به تعداد محدودی از نانوساختارهای نانومقیاس که در روش فوق استفاده میشوند، محدود میشوند.
با این حال، دلایلی وجود دارد که باور کنیم آنها در این زمینه موفق خواهند شد. پانات، دانشیار مهندسی مکانیک در دانشگاه کارنگی ملون گفته است که یکی دیگر از مزایای فرآیند جدید این است که اکنون میتوان الکترودها را از مواد به طور گستردهای در دسترس مانند اکسید سیلیکون ساخت که نسبت به باتریهای گرافیتی-لیتیوم-یونی که امروزه استفاده میشوند میتواند دو برابر انرژی ذخیره کند. سپس میتوان از پوشش آند سیلیکونی برای گسترش فناوری با خطوط تولید موجود استفاده کرد. آمپریوس، استارتاپ باتری لیتیوم یونی، قبلاً باتریهایی با آند سیلیکونی ارسال کرده است. محصولاتی که انتظار میرفت در اواخر سال ۲۰۱۴ در دسترس باشند شامل گرافن -یک ماده آندایز کننده بهبود یافته- و باتری لیتیوم یون با الکترود نانولوله سیلیکونی است.
آینده تحقیقات بر روی باتریهای سیلیکونی چیست؟
سیلیکون مادهای است که به دلیل ظرفیت تئوری بالای آن برای ذخیره سازی لیتیوم یون، به طور گسترده برای استفاده در فناوری باتری مورد مطالعه قرار گرفته است. در باتریهای لیتیوم یون سنتی، کاتد (الکترود مثبت) معمولاً از موادی مانند اکسید لیتیوم کبالت (LiCoO۲) یا اکسید لیتیوم منگنز (LiMn2O۴) ساخته میشود. این مواد ظرفیت بالایی برای ذخیره سازی لیتیوم یون دارند، اما گران هستند و ظرفیت محدودی برای بهبود بیشتر دارند.
از سوی دیگر، سیلیکون ظرفیت نظری بسیار بالاتری برای ذخیره سازی لیتیوم-یون دارد و بسیار فراوانتر و ارزان تر از موادی است که در حال حاضر در کاتد باتریهای لیتیوم-یون استفاده میشود. با این حال، سیلیکون نیز به عنوان ماده باتری دارای چالشهایی است. یکی از چالشهای اصلی این است که وقتی یونهای لیتیوم را جذب میکند، به طور قابل توجهی منبسط میشود که میتواند به مرور زمان باعث از کار افتادن باتری شود.
علیرغم این چالشها، محققان پیشرفت قابل توجهی در توسعه مواد مبتنی بر سیلیکون برای استفاده در باتریهای لیتیوم یون داشتهاند. یک رویکرد استفاده از سیلیکون به شکل نانوذرات بوده است که میتواند انبساط را که هنگام جذب یونهای لیتیوم ایجاد میشود، بهتر تطبیق دهد. روش دیگر استفاده از سیلیکون در ترکیب با مواد دیگر مانند کربن یا اکسیدهای فلزی برای ایجاد مواد کامپوزیتی است که عملکرد و پایداری را بهبود میبخشد.
به طور کلی، سیلیکون توانایی ایجاد بهبود قابل توجهی در عملکرد و هزینه باتریهای لیتیوم یون را دارد و تحقیقات در این زمینه ادامه دارد.