Как научные и технологические разработки могут принести кремний

Jun 20, 2023

Sila Nanotechnologies — разработчик аккумуляторных материалов, чья революционная технология под названием «Titan Silicon» представляет собой анод из нанокомпозитного кремния (NCS).

Материалы компании способствуют повышению производительности аккумуляторов в устройствах бытовой электроники и предназначены для питания электромобилей (EV), начиная с серии Mercedes-Benz G-Class.

В интервью Fastmarkets Юшин подробно рассказал о разработках, которые сделали NCS компании жизнеспособной для анодов с преобладанием кремния, а также о том, что этот материал предлагает производителям электромобилей и аккумуляторов.

Юшин считает, что эта технология может помочь уменьшить дефицит поставок и географическое неравенство в производстве другого ключевого сырья для аккумуляторов (БРМ) – графита.

В отличие от большей части мирового графита, NCS Sila производится в США, а это означает, что он соответствует возобновившемуся стремлению Запада обеспечить цепочки поставок большего количества сырья, особенно тех, которые имеют решающее значение для энергетического перехода.

Хотя кремний и его соединения ранее использовались в ограниченных количествах в анодах, но недавние разработки позволили использовать этот материал в более высоких концентрациях в анодах, что позволяет преодолеть проблемы, особенно связанные с деградацией аккумуляторов.

Предлагая более высокую емкость по сравнению с традиционно используемым графитом, электроды на основе NCS тоньше, что уменьшает расстояние диффузии литий-иона и помогает снизить затраты, объяснил Юшин.

Эта технология также обеспечивает более высокую плотность энергии (Titan Silicon увеличивает плотность энергии до 40%) и более быструю зарядку по сравнению с сегодняшними литий-ионными батареями на основе графита (LIB), сказал он.

Юшин подсчитал, что на пределе стоимость ЛИА с графитовым анодом останется в районе $100/кВтч на уровне упаковки.

Аноды и катоды NCS нового поколения от Sila, по словам Юшина, «помогут снизить затраты на аккумуляторы LIB до 50 долларов за кВтч, что сделает их подходящей технологией для обеспечения быстро развивающегося рынка электромобилей».

По оценкам группы моделирования стоимости элементов Fastmarkets, анод обычно составляет 10–15% от общей стоимости типичного никель-кобальт-марганцевого (NCM) элемента, а доля катода составляет 50–60%.

«Хотя усовершенствования анода важны для быстрой зарядки, срока службы и общей производительности, именно улучшения в катодной части (а также снижение цен на катодное сырье) действительно снизят общую стоимость элементов. Улучшение производственных процессов и минимизация отходов на гигафабриках также будут играть большую роль», — сказал Мутху Кришна, специалист по моделированию стоимости ячеек Fastmarkets.

«Плотность энергии элемента зависит как от анода, так и от катода, в основном от их емкостей и электрохимических потенциалов», — сказал Юшин.

«Сверхвысокая емкость NCS в сочетании с катодами нового поколения позволит увеличить плотность энергии в два раза… Это означает, что для блока LIB потребуется на 50% меньше ячеек, чтобы обеспечить примерно ту же энергию», — сказал он.

По словам Юшина, размер и цена пакета LIB также будут примерно на 50% меньше.

«Обратите внимание, что одни и те же катоды следующего поколения не могут обеспечить существенного улучшения производительности в сочетании с графитовыми анодами», — сказал он.

Эти разработки привели к серьезному изменению восприятия анодов на основе кремния.

«Десять лет назад из-за научных и технологических трудностей, связанных с преодолением многочисленных технических проблем, большинство людей в отрасли не верили, что кремниевые аноды могут стать реальностью в ближайшее время», — сказал Юшин.

«Главный вопрос, который мы сейчас слышим, заключается в том, насколько быстро мы сможем увеличить производство Titan Silicon, чтобы удовлетворить потребности в ТВт-ч», — добавил он.

За последние годы некоторые ведущие компании по производству аккумуляторов начали вводить небольшие количества оксида кремния, произведенного в Японии или Китае, в графитовые аноды, чтобы немного улучшить плотность или скорость энергии ЛИА, избегая при этом чрезмерной деградации.

Однако, по словам Юшина, об анодах с преобладанием кремния не могло быть и речи.

«Теперь Titan Silicon можно использовать в количестве, превышающем [50% по весу], или полностью заменить графит в анодах», — сказал он.