Функции зеленого карбида кремния в новых энергетических батареях

I. Электродная система: основная добавка для анодов, позволяющая устранить критические недостатки кремний-углеродных анодов (наиболее широко используемых).

1. Снижает объемное расширение и стабилизирует структуру электрода.

   Добавление 3–5% ультрадисперсного зеленого порошка SiC (D50 микрон/наноразмер) формирует жесткий трехмерный каркас, ограничивающий расширение и сжатие частиц кремния и углерода. Это предотвращает растрескивание и отслоение анода, увеличивая срок службы батареи более чем на 200 циклов.

2. Создайте теплопроводящие и проводящие сети для обеспечения быстрой зарядки.

   Зеленый карбид кремния (SiC) обладает теплопроводностью 120–200 Вт/м·К, что превосходит показатели обычного графита. Он обеспечивает баланс между изоляцией и теплопроводностью, быстро рассеивая тепло, выделяемое во время быстрой зарядки, снижая температуру элемента на 8–10 °C при одинаковых скоростях зарядки. Он эффективно предотвращает накопление тепла, осаждение лития и деформацию элементов во время высокоскоростной зарядки.

3. Стабилизация межфазной границы электрода и снижение расхода электролита.

   Зеленый карбид кремния образует стабильный пассивирующий слой на поверхности материала, предотвращая непрерывное разложение электролита. Он способствует равномерному и стабильному формированию SEI-пленки и снижает снижение емкости при длительном циклировании, совместим с литий-железофосфатными, тройными и кремний-углеродными анодами.

4. Модифицированный зеленый карбид кремния может служить активным материалом композитного анода, обеспечивая дополнительные места интеркаляции лития с удельной емкостью от 450 до 600 мАч/г, тем самым повышая общую плотность энергии аккумуляторной батареи.

II. Керамическое покрытие на сепараторах литий-ионных батарей: основной защитный барьер для силовых батарей (зрелое применение в серийном производстве)

1. Повышает термостойкость и предотвращает тепловой разгон.

   Сепараторы с алюминиевым покрытием дают усадку и разрушаются примерно при 150 °C; сепараторы с покрытием из карбида кремния (SiC) устойчивы к усадке и проколам при 200 °C. Они гораздо менее подвержены коротким замыканиям при проколе иглой или экструзии, повышая безопасность при проколе примерно на 40%, что делает их идеальными для ленточных батарей и больших цилиндрических элементов 4680.

2. Повышенная износостойкость и устойчивость к проколам.

   Обладая исключительной твердостью, зеленый карбид кремния защищает сепараторы от повреждений, вызванных заусенцами электродов и частицами пыли, снижая процент брака элементов из-за коротких замыканий. Химически стабильное и устойчивое к эрозии электролитом, покрытие практически не отслаивается после длительного погружения в электролит.

3. Сбалансированная изоляция и теплопроводность: сепаратор обеспечивает электрическую изоляцию катода и анода, одновременно способствуя горизонтальному рассеиванию тепла от ячеек для улучшения равномерности температуры ячеек.

III. Ключевой армирующий материал для твердотельных батарей следующего поколения

1. Армирующий наполнитель для твердых электролитов

   Твердые керамические электролиты, такие как LLZO, хрупкие и обладают высоким межфазным сопротивлением. Легирование ультратонким зеленым SiC улучшает прочность электролита и снижает межфазное сопротивление. Его выдающаяся теплопроводность решает проблемы накопления тепла и растрескивания твердотельных батарей во время быстрой зарядки.

2. Защита литиевых металлических анодов

   Композитные защитные слои, изготовленные из зеленого порошка карбида кремния, предотвращают проникновение литиевых дендритов и, как следствие, короткие замыкания. В то же время, они обеспечивают однородное осаждение литий-ионов, что способствует быстрой зарядке высокой мощности.

IV. Износостойкие и теплопроводящие расходные материалы для производства катодных материалов

1. Низкое содержание примесей железа исключает загрязнение катодных материалов тяжелыми металлами в процессе шлифовки, гарантируя стабильную работу элемента.
2. Высокая теплопроводность позволяет быстро отводить тепло, выделяемое при трении во время измельчения, предотвращая термическое разрушение катодного порошка и повышая эффективность измельчения.
3. Зеленые тигли из карбида кремния используются для высокотемпературного спекания тройных прекурсоров. Они выдерживают резкие перепады температуры без растрескивания, устойчивы к экстремальным температурам и остаются химически инертными по отношению к катодным порошкам.

V. Применение в конструкционных элементах аккумуляторных батарей и термопокрытиях.

1. Легкие огнестойкие композитные материалы для аккумуляторных батарей

   Композитные панели из углеродного волокна и зеленого карбида кремния используются для изготовления крышек и корпусов батарей. Они легче стали, но при этом обладают высокой прочностью и ударостойкостью, обеспечивая как снижение веса, так и безопасность при столкновении.

2. Функциональный наполнитель для покрытий, предназначенный для рассеивания тепла, теплоизоляции и защиты от коррозии.

   Функциональные керамические покрытия с добавлением высокочистого зеленого карбида кремния наносятся методом напыления на корпуса батарей, охлаждающие пластины и шины. Эти покрытия обеспечивают теплопроводность, электрическую изоляцию, стойкость к коррозии электролита и износостойкость. Превосходя традиционные покрытия из оксида алюминия по теплоотводу, они широко используются для защиты металлических компонентов в аккумуляторных батареях.

VI. Поддержка электронного управления: зеленые монокристаллы SiC для полупроводниковых подложек

1. Значительно меньшие потери при переключении по сравнению с кремниевыми IGBT-транзисторами снижают энергопотребление автомобильных инверторов и увеличивают запас хода на 5–8%.
2. Превосходная устойчивость к высоким температурам позволяет уменьшить габариты инверторов и использовать их на высоковольтных платформах быстрой зарядки (высоковольтные системы на 800 В стандартной комплектации оснащены устройствами на основе SiC).

VII. Правила выбора: зеленый карбид кремния, оксид алюминия и черный карбид кремния.

1. Зеленый карбид кремния превосходит оксид алюминия по теплопроводности, что делает его подходящим для быстрой зарядки и работы при высоких температурах; оксид алюминия стоит дешевле и в основном используется для общего хранения энергии.
2. Зеленый карбид кремния отличается сверхнизким содержанием примесей железа и не вызывает самопроизвольного разряда элементов питания, вызванного следовыми количествами тяжелых металлов. Черный карбид кремния содержит избыточное количество примесей и подходит только для обычных условий эксплуатации, требующих повышенной износостойкости, поэтому только зеленый карбид кремния подходит для использования в аккумуляторах .

Краткое описание четырех основных преимуществ

1. Безопасность: высокая термостойкость покрытых сепараторов предотвращает тепловой разгон; усиление анода предотвращает короткие замыкания, вызванные расширением; подавляется рост литиевых дендритов.
2. Быстрая зарядка: Высокая теплопроводность всех компонентов батареи снижает повышение температуры, что позволяет осуществлять зарядку с высокой скоростью.
3. Длительный срок службы: Усиленная структура электрода минимизирует побочные реакции электролитов и продлевает срок службы.
4. Превосходная стабильность: низкое содержание примесей исключает загрязнение тяжелыми металлами в процессе производства и сводит к минимуму различия в характеристиках между партиями батарей.