Anody Krzemowe i Krzemowo-Węglowe
Anody krzemowe i krzemowo-węglowe to konstrukcje elektrod ujemnych, które wykorzystują krzem do magazynowania litu — jako dominujący materiał aktywny albo w połączeniu z grafitem lub inną formą węgla.
Główne rodzaje
- Anoda krzemowa: zwykle oznacza elektrodę ujemną bogatą w krzem lub taką, w której krzem jest materiałem dominującym. Nie musi to oznaczać czystego krzemu; elektroda nadal wymaga spoiw, dodatków przewodzących i kolektora prądowego.
- Anoda krzemowo-węglowa: łączy krzem lub jego pochodną, taką jak tlenek krzemu, z grafitem, szkieletem węglowym albo innym materiałem węglowym. Węgiel wspomaga przewodnictwo elektryczne i może pomagać w ograniczaniu mechanicznych skutków rozszerzania się krzemu.
Dlaczego stosuje się krzem
Krzem może magazynować znacznie więcej litu na jednostkę masy niż grafit. Daje to możliwość zwiększenia gęstości energii ogniwa, ale korzyść uzyskana na poziomie materiału nie przekłada się bezpośrednio na kompletny akumulator. Na końcowy wynik wpływają grubość elektrody, porowatość, materiały nieaktywne, ilość elektrolitu, przestrzeń przewidziana na rozszerzanie oraz katoda. Nature Communications: Production of lithium-ion batteries with silicon-containing anodes
Główny kompromis
Krzem znacznie rozszerza się i kurczy podczas wprowadzania oraz usuwania litu. Powtarzające się zmiany objętości mogą powodować pękanie cząstek, utratę kontaktu elektrycznego oraz uszkodzenie warstwy międzyfazowej stałego elektrolitu (SEI). Odbudowa tej warstwy zużywa lit i elektrolit, przyczyniając się do utraty pojemności. U.S. Department of Energy: Protecting silicon battery electrodes
Połączenie krzemu z grafitem lub specjalnie zaprojektowanym materiałem węglowym może ograniczyć te problemy, ale ich nie eliminuje. Określenie krzemowo-węglowy nie ujawnia udziału krzemu, struktury cząstek, utraty litu w pierwszym cyklu, stopnia rozszerzania, ograniczeń ładowania, trwałości cyklicznej ani uzysku produkcyjnego. Dlatego wiele konstrukcji przeznaczonych do produkcji zachowuje grafit jako główny materiał i dodaje kontrolowaną ilość krzemu lub tlenku krzemu.
Szczegółowe informacje o oddziaływaniach elektrody i elektrolitu zawiera Cell Chemistry & Components. Stopień dojrzałości konstrukcji bogatych w krzem oraz informacje o bieżących programach rozwoju akumulatorów opisano w Latest Advances in EV Battery Technology.
Krzem określa materiał anody, a nie architekturę elektrolitu. Może być stosowany w konwencjonalnych ogniwach Lithium-Ion Battery lub w konstrukcjach z elektrolitem stałym; zobacz Solid-State Battery.