Кремниевые батареи: «Кремниевые» аккумуляторы увеличат время работы устройств в 10 раз

«Кремниевые» аккумуляторы увеличат время работы устройств в 10 раз

3DNews Технологии и рынок IT. Новости нанотехнологии «Кремниевые» аккумуляторы увеличат время… Самое интересное в обзорах 09.02.2016 [10:45],  Геннадий Детинич Наверняка каждый из наших читателей подтвердит, что батарейка его мечты всё ещё где-то там — за горизонтом. Несмотря на колоссальные усилия разработчиков, характеристики аккумуляторов фактически остановили свой качественный рост. Между тем метаться от розетки к розетке приходится всё чаще и чаще. Выходом, хотя бы промежуточным, могут стать аккумуляторы с кремниевым анодом. В качестве электролита будет использоваться всё тот же старый добрый литиево-ионный наполнитель, но кремниевая основа перспективных анодов обещает лучше и полнее с ним взаимодействовать. В перспективе ёмкости аккумуляторов с кремниевыми анодами могут оказаться в 10 раз больше, чем у современных батарей. «Гранатовый» дизайн аккумуляторов (slac.stanford.edu) Разработкой кремниевых анодов несколько лет в содружестве занимаются группа учёных из Университета Стэнфорда и группа из SLAC National Accelerator Laboratory. Свежая публикация на сайте SLAC даёт понять, что уже придуман и опробован способ получения устойчивых к разрушению кремниевых анодов. Дело в том, что в процессе заряда частицы кремния в составе анода увеличиваются в размерах до трёх раз. Это приводит к быстрому разрушению частиц на более мелкие части, что ухудшает параметры аккумуляторов. Также частицы анода от взаимодействия с электролитом покрываются тонкой плёнкой вещества, что также ухудшает их характеристики, поскольку проводимость в этом случае снижается. Ранее группа предложила создавать аноды в виде условного фрукта граната, в котором зёрна-частицы разделены оболочкой. Предложенная методика инкапсулирования частиц кремния как раз отвечает этой задумке. Технология создания заключённых в оболочку кремниевых частиц анода (slac. stanford.edu) Крупные частицы кремния — до трёх микрон — заключаются в оболочку из никеля. Затем на никеле, который выступает в роли катализатора, вокруг частицы выращивается графеновая оболочка. После этого следует процесс травления в кислоте, вымывающий никель. В результате на выходе мы имеем набор тесно связанных графеновых оболочек, внутри каждой из которых «болтается» частичка из кремния. Графеновая оболочка служит гарантией целостности частиц и анода (slac.stanford.edu) Графеновые оболочки отчасти гибкие, но не теряют основную форму, поэтому структура анода практически постоянная, хотя может немного «дышать». Частички кремния в процессе заряда раздуваются до определённого размера и в случае разрушения всё равно остаются внутри оболочки. Обволакивания их электролитом в данном случае не происходит. Иначе говоря, батарея с таким анодом может выдержать большее число циклов разряда и заряда. Поведения кремниевой частицы в оболочке под электронным микроскопом (Hyun-Wook Lee/Stanford University) Выше на изображении вы можете видеть поведение частички кремния в оболочке в процессе заряда. Пока это единичные вкрапления. На новом этапе разработчики собираются создать технологию, которая даст возможность выпускать кремний в оболочке в достаточном для производства анодов количестве. Источник: Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER. Материалы по теме Постоянный URL: https://3dnews.ru/928102 Рубрики: Новости Hardware, нанотехнологии, блоки питания, адаптеры, источники питания, Теги: аккумулятор, анод, ёмкость, стэнфорд, кремний ← В прошлое В будущее →

В США разработали аккумулятор с полностью кремниевым анодом — плотность энергии увеличилась на 20% — Железо на DTF

Первым коммерческим устройством на его базе стал фитнес-трекер Whoop 4.

7631 просмотров

Американская электрохимическая компания Sila Nanotechnology объявила о завершении разработки и запуске промышленного производства литий-ионных аккумуляторов нового поколения.

«На бумаге» изменения довольно просты: анод батареи теперь изготавливается из кремния, а не из графита, что позволяет упаковать больше атомов лития и увеличить максимальную плотность энергии.

На практике же для этого потребовалось несколько лет обработки сырьевых материалов и миллионы долларов от государства и частных инвесторов. Sila объявила об итоговом увеличении плотности до 20%, что позволяет уменьшить размер батареи или увеличить время автономной работы устройств при тех же габаритах.

Слишком долго аккумуляторная промышленность давала обещания, но не выполняла их. Мы выбрали другой подход. После 10 лет, 55 тысяч итераций и более чем тысячикратного увеличения мощностей команда Sila первой наладила промышленное производство и сделала коммерчески доступной технологию литий-ионных аккумуляторов с высокой плотностью энергии.

Джин Бердичевский, генеральный директор Sila

Одна из проблем, с которой столкнулись специалисты, заключалась в быстром снижении ёмкости аккумуляторов. Кремниевые аноды теряют ионы лития, и чтобы это предотвратить, компания применила технологию его предварительной загрузки путём добавления специального порошка.

Интересно, что полученный кремниевый порошок не только повышает эффективность батареи, но и позволяет использовать уже существующую инфраструктуру при производстве — процесс почти не отличается от изготовления графитовых элементов.

Первым устройством, в котором используются батарея Sila, стал фитнес-браслет Whoop 4.0. По сравнению с предыдущий версией трекера, эффективность аккумулятора повысилась на 17%, обеспечивая 5 дней автономной работы, несмотря на внедрение новых датчиков.

Фитнес-трекер Whoop 4.0

Технологией заинтересовались и другие компании, включая Amperex Technology, которая поставляет аккумуляторы для Apple и Samsung, и автогигант BMW, который планирует использовать такое решение в электромобилях к 2023 году.

Разработчики заявили, что продолжат совершенствовать технологию — в перспективе плотность энергии можно увеличить до 40% без ущерба для срока службы и безопасности. Sila также планирует построить крупный завод в Калифорнии для выполнения заказов.

Стоит отметить, что подобными аккумуляторами занимаются и другие компании, включая Enovix, Panasonic и Enevate, но достичь промышленного производства, о котором заявляет Sila, им пока не удалось. В конце 2020 года Илон Маск подтвердил, что Tesla активно работает над увеличением уровня кремния в аноде батарей.

Аккумуляторы из 100% кремния и нанопроволоки от Amprius Technology

Миру нужны аккумуляторы получше!

Amprius Technologies Passes Military Performance Specification Nail Penetration Test with Unprecedented 390 Wh/kg Cell

We Enable the Future of Electric Mobility Today

Innovation

• 100% silicon anode battery ⁽¹⁾

Превосходная производительность батареи

• Высокая плотность энергии
  • До 450 Втч/кг ⁽²⁾ и 1150 Втч/л ⁽²⁾⁽³⁾
• Высокая плотность мощности
  • До 10°С
• Возможность быстрой зарядки
  • 80% заряда менее чем за 6 минут
• Широкий диапазон рабочих температур
  • от -30°C до 55°C

Опробовано в коммерческих целях

• Протестировано и утверждено ведущими отраслевыми партнерами

Примечание. Некоторые показатели производительности основаны на конкретных продуктах Amprius.
(1) Фактическое процентное содержание кремния составляет 99,5–99,9 %, что находится в пределах диапазона допустимых уровней чистоты для материалов, считающихся 100 %.
(2) При С/10 и 23°С.
(3) Объемная плотность энергии рассчитывается с использованием размеров тела при уровне заряда 30 % («SoC»).

ПРОБЛЕМА

Почему аккумуляторные технологии развиваются так медленно?

Основной причиной медленных темпов совершенствования аккумуляторов является химия. В обычных литий-ионных батареях анод сделан из углерода в форме графита, и плотность энергии графита достигла своего предела.

Для улучшения характеристик батареи требуется новый материал анода, и этим материалом является кремний. Кремний может хранить до 10 раз больше лития по сравнению с графитом, что позволяет батареям иметь гораздо большую энергию. Но кремний резко набухает, когда он заряжен литием, и это может привести к его растрескиванию и прекращению работы.

Преимущества кремниевых аккумуляторов Amprius

Материал с самым высоким содержанием активного кремния
Кремний является лучшим материалом с точки зрения плотности энергии. Использование большего количества кремния означает, что мы можем производить литий-ионные батареи с более высокой плотностью энергии, в то же время обеспечивая самое высокое соотношение энергии к мощности.

Превосходный срок службы
Кремниевые батареи Amprius Technologies имеют превосходный срок службы, который постоянно улучшается. Это было продемонстрировано в реальных условиях во многих организациях, включая национальные лаборатории США и крупные аэрокосмические компании.

100% кремниевый анод ⁽¹⁾ В 10 раз больше емкости по сравнению с графитом

НАСТОЯЩЕЕ И БУДУЩЕЕ

Революционная аккумуляторная технология

Кремниевые литий-ионные аккумуляторы Amprius Technologies меняют правила игры. Имея самую высокую плотность энергии в отрасли, наши аккумуляторы могут существенно повысить производительность электромобилей, самолетов, дронов и носимых устройств.

Примечания:
Городская воздушная мобильность — расчетное время полета на основе моделей клиентов
Сила солдата — реальные данные на основе конформной носимой батареи, разработанной для армии США диапазон спецификаций аккумуляторов

НАША ДОРОЖНАЯ КАРТА

Будущее аккумуляторов

Компания Amprius Technologies разработала обширный план выпуска продукции, в котором используется наша платформа с кремниевыми анодами. Мы активно расширяем производство кремниевых анодов, чтобы позволить большему количеству отраслей использовать преимущества нашей продукции.

Отказ от ответственности: Обратите внимание, что эта презентация содержит прогнозные заявления. Эти заявления основаны на технологиях, бизнесе и ожидаемых рыночных возможностях Amprius и подвержены неопределенности и изменению обстоятельств, многие из которых находятся вне контроля Amprius, что может привести к тому, что фактические результаты будут существенно отличаться от тех, которые выражены или подразумеваются в таких прогнозах. смотря заявления. Для более полного обсуждения прогнозных заявлений и неопределенностей, связанных с технологиями Amprius, бизнесом и ожидаемыми рыночными возможностями, пожалуйста, обратитесь к его документам, поданным в Комиссию по ценным бумагам и биржам, включая обсуждение факторов риска Amprius в его 8-K. подана 16 сентября 2022 г.

Следующий большой прорыв в области кремниевых аккумуляторов так загадочен

Стартап NEO Battery Materials заставил Intertubes напевать в начале этой недели, когда он объявил о новом мэшапе с еще не названным «Лучшим выпуском университетов США». ” Соглашение направлено на повышение производительности недорогого кремниевого анода батареи NEO. Если все пойдет по плану, это окажет огромное влияние на стоимость аккумуляторов для электромобилей. Это все, что мы знаем на данный момент, так что начнем гадать: с каким университетом связался NEO?

Технология кремниевых батарей Хорошо

Кремниевые батареи — это литий-ионные батареи, в которых вместо графита используется кремний. Графит долгое время был предпочтительным материалом для литий-ионных аккумуляторов, но кремний предлагает более длительный срок службы и более быстрое время зарядки, а также более низкие затраты по сравнению с обычными литий-ионными аккумуляторами.

Армия США, например, очень любопытна. Компания исследует новую технологию кремниевых батарей из-за потенциальной возможности значительной экономии веса, что является важным фактором для солдат, которые нагружены растущим количеством электронного снаряжения.

Экономия веса также важна для производителей электромобилей. BMW и General Motors входят в список автопроизводителей, делающих ставку на хранение энергии на основе кремния.

Бесплатных обедов не бывает, поэтому исследователям кремниевых батарей пришлось столкнуться с серьезными трудностями. В отчете о состоянии дел за 2017 год Министерство энергетики США описало главного виновника, который включает нестабильность межфазной фазы твердого электролита (SEI).

«SEI — это пленка, которая образуется на активных частицах анода, которая подавляет или останавливает дальнейшие реакции между литированным анодом с крайне низким напряжением и электролитом», — пояснили в Департаменте энергетики. «Без этой пленки или с пленкой, которая не является достаточно пассивирующей (как в кремнии), эти реакции протекают непрерывно, потребляя Li [литий] и приводя к быстрому снижению емкости и короткому сроку службы элемента».

Кремниевая батарея с технологией полимерного электролита Better

Вклад NEO в эту область представляет собой набор из трех материалов кремниевого анода, изготовленных с помощью запатентованного процесса производства, который они называют «одноэтапным нанопокрытием».

«Все продукты NEO достигли начальной кулоновской эффективности (ICE) выше 86% и высокой удельной емкости (> 2500 мАч/г)», — поясняет NEO. «Кроме того, ICE 92% или выше может быть достигнуто, когда кремний NEO смешивается с существующими графитовыми анодами».

NEO также добавляет, что ее технология «значительно увеличивает срок службы и стабильность при циклировании по сравнению с обычными металлургическими частицами на основе кремния». Производственная линия все еще находится в стадии развертывания, и на момент написания этой статьи на веб-сайте NEO указано, что она находится на пути к производству новых анодных материалов в «полукоммерческих масштабах».

Между тем, недавно объявленное соглашение с еще не названным университетом направлено на достижение дополнительных улучшений производительности за счет соединения кремниевых анодов NEO с передовым полимерным электролитом школы мистерий.

NEO также отмечает, что полимерные электролиты негорючи, что повышает безопасность.

Хотя очевидно, что предстоит еще много работы, NEO настроен с осторожным оптимизмом. «NEO и разработчик признают, что творческие, но быстро развивающиеся исследования и разработки и сотрудничество должны происходить для масштабирования технологий обеих сторон в продукты и результаты коммерческого уровня», — говорится в сообщении компании.

Итак, кто является удачливым побочным продуктом высшего университета? Если у вас есть предположения, напишите нам в ветке комментариев.

Есть из чего догадаться. Например, в 2019 году группа исследователей из Пенсильванского государственного университета сообщила о своей работе над «чрезвычайно эластичным гелеобразным полимерным электролитом», предназначенным для стабилизации кремниевых анодов и предотвращения их растрескивания.

Кто станет следующим ведущим университетом Америки?

Беглый взгляд на научный консультативный совет NEO по кремниевым батареям может дать еще несколько подсказок.

Член правления д-р Джинхьюк Ли, например, имеет ученые степени Массачусетского технологического института и Калифорнийского университета в Беркли среди многих (многих, многих) карьерных достижений. В настоящее время он является доцентом в Университете Макгилла.

По следам академических связей мы видим, что лаборатория Balsara в Калифорнийском университете в Беркли специализируется на полимерных электролитах.

«На основе наших патентов выпускники группы стали соучредителями двух компаний по производству аккумуляторов: Seeo (основана в 2007 году) и Blue Current (основана в 2014 году)», — говорится на сайте лаборатории.

CleanTechnica узнала о Seeo в 2014 году, но его технология хранения энергии не попадала в поле нашего зрения с 2015 года, когда она была приобретена Bosch. Если вы знаете, что с ним случилось, сообщите нам.

Blue Current — новый для радара CleanTechnica , так что нам есть что наверстать. «Компания производит 100% сухие, безопасные и высокоэффективные кремниевые эластичные композитные твердотельные батареи для питания новых источников энергии, включая электромобили, сетевые накопители и бытовую электронику», — говорится на сайте компании. Это тоже найм, кстати.

Сюжет усложняется, если учесть, что Blue Current является партнером центра исследований в области хранения энергии Министерства энергетики JCESR, что является сокращением от Объединенного центра исследований в области хранения энергии. Консорциум был запущен в 2012 году при администрации Обамы под руководством Аргоннской национальной лаборатории. Подводя итоги 2017 года, JCESR выделил три стартапа, которые использовали свойства накопления энергии JCESR, в том числе Blue Current, а также специалиста по полимерным мембранам Sepion и компанию по хранению энергии длительного действия Form Energy, которая строит новый завод в Западной Вирджинии.

Много дорог к кремниевой батарее будущего

Еще большее запутывание сюжета произошло 22 декабря прошлого года, когда Businesswire распространил пресс-релиз, который, по-видимому, говорит одновременно за JCESR, Argonne и Blue Current. В релизе признается, что JCESR позволил Blue Current «разработать безопасную твердотельную батарею, готовую к производству в мегаваттном масштабе».

В пресс-релизе отмечается, что композитный электролит Blue Current устраняет необходимость в металлических пластинах и болтах, а целевой рынок — электромобили.

«В рамках строгих испытаний на безопасность компания подвергла свои элементы суровым условиям, с которыми электромобили могут столкнуться в реальном мире. Теплового разгона — перегрева, который может привести к возгоранию, — никогда не было», — подчеркивается в релизе.

Woke, Schmoke

Чтобы было ясно, все это предположения. Взгляните на научный консультативный совет NEO, чтобы увидеть больше связей с другими ведущими университетами США, у любого из которых может быть побочный продукт.

С другой стороны, было бы восхитительно иронично, если бы Blue Current на самом деле была спин-оффом, получившим название, и NEO. Это потому, что филиал Koch Industries вложил большие деньги в запуск первого завода Blue Current площадью 22 000 квадратных футов, который будет расположен в Хейворде, штат Калифорния.

Это будет та самая Koch Industries, на которую CleanTechnica пролила много чернил, наряду со многими другими новостными организациями, связанными с деятельностью разрастающейся компании в области ископаемой энергии.

Различные члены семьи Кох заслужили репутацию сторонников политики правого толка, вплоть до Верховного суда США. Сообщается, что Koch Industries и ее различные другие филиалы также направляют деньги в межгосударственные усилия по предотвращению направления «проснувшегося капитала» денег в предприятия по возобновляемым источникам энергии.

Тем не менее, в прошлом году Koch Strategic Platforms объявила об инвестициях в Blue Current на сумму 30 миллионов долларов.

Запатентованная батарея Blue Current обеспечивает максимальную безопасность и производительность, стабилизирует температуру и обеспечивает большую масштабируемость в зависимости от использования», — отмечается в пресс-релизе KSP от 22 апреля 2022 года. «Полностью сухая эластичная композитная батарея с высоким содержанием кремния сочетает в себе механические свойства полимеров с ионная проводимость стеклокерамики».

В объявлении также упоминается управляющий директор KSP Джереми Бездек, который сказал: «Технология твердотельных аккумуляторов будет играть ключевую роль в глобальной трансформации энергетики».

«Наша тщательная проверка показала, что Blue Current имеет выгодное положение в области интеллектуальной собственности, которое может стать революционным в области твердотельных аккумуляторов», — добавил Бездек.

Все это имеет смысл, если учесть, что KSP также инвестировала в стартап REE, который планирует произвести фурор с помощью гибкой платформы для электромобилей в стиле скейтборда.

Поди разберись.

Следите за мной в Twitter Trainwreck @TinaMCasey .

Найдите меня в LinkedIn: @TinaMCasey или Mastodon: @Casey или по почте: @tinamcasey

Фото (обрезанное): Новые анодные материалы для кремниевой батареи предоставлены NEO Energy Materials.

---

Подпишитесь на ежедневные обновления новостей от CleanTechnica по электронной почте.