کارکردهای کاربید سیلیکون سبز در باتری‌های انرژی نو

I. سیستم الکترود: افزودنی اصلی برای آندها جهت رفع معایب بحرانی آندهای سیلیکون-کربن (که بیشترین کاربرد را دارند)

1. کاهش انبساط حجمی و تثبیت ساختار الکترود

   افزودن ۳ تا ۵ درصد پودر SiC سبز فوق‌العاده ریز (D50 میکرون/نانو گرید) یک چارچوب سه‌بعدی سفت و سخت برای محدود کردن انبساط و انقباض ذرات سیلیکون-کربن تشکیل می‌دهد. این امر از ترک خوردن و ریزش آند جلوگیری می‌کند و عمر باتری را بیش از ۲۰۰ سیکل افزایش می‌دهد.

2. ساخت شبکه‌های رسانای حرارتی و رسانا برای فعال کردن شارژ سریع

   SiC سبز رسانایی حرارتی 120 تا 200 وات بر متر مکعب در کلوین دارد که از گرافیت معمولی بیشتر است. این ماده عایق‌بندی و رسانایی گرما را متعادل می‌کند تا گرمای تولید شده در طول شارژ سریع را به سرعت دفع کند و دمای سلول را تحت نرخ شارژ یکسان 8 تا 10 درجه سانتیگراد کاهش دهد. این ماده به طور موثری از تجمع گرما، رسوب لیتیوم و برآمدگی سلول در طول شارژ با سرعت بالا جلوگیری می‌کند.

3. تثبیت سطح مشترک الکترود و کاهش مصرف الکترولیت

   کاربید سیلیکون سبز یک لایه غیرفعال پایدار روی سطح ماده تشکیل می‌دهد تا از تجزیه مداوم الکترولیت جلوگیری کند. این ماده تشکیل یکنواخت و پایدار فیلم SEI را تسهیل می‌کند و از کاهش ظرفیت در طول چرخه‌های طولانی مدت جلوگیری می‌کند، که با آندهای فسفات آهن لیتیوم، سه‌تایی و سیلیکون-کربن سازگار است.

4. کاربید سیلیکون سبز اصلاح‌شده می‌تواند به عنوان ماده فعال آند کامپوزیت عمل کند و مکان‌های اضافی برای قرارگیری لیتیوم با ظرفیت ویژه از ۴۵۰ تا ۶۰۰ میلی‌آمپر ساعت بر گرم فراهم کند و در نتیجه چگالی انرژی کلی باتری را افزایش دهد.

II. پوشش سرامیکی روی جداکننده‌های باتری لیتیوم-یون: مانع ایمنی هسته برای باتری‌های قدرت (کاربرد بالغ تولید انبوه)

1. بهبود مقاومت حرارتی و جلوگیری از فرار حرارتی

   جداکننده‌های روکش‌دار با آلومینا در دمای تقریباً ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد منقبض و شکسته می‌شوند؛ جداکننده‌های روکش‌دار با SiC سبز در دمای ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد در برابر انقباض و سوراخ شدن مقاومت می‌کنند. آن‌ها در اثر سوراخ شدن با سوزن یا اکستروژن، کمتر در معرض اتصال کوتاه قرار می‌گیرند و ایمنی سوراخ شدن را حدود ۴۰٪ افزایش می‌دهند و آن‌ها را برای باتری‌های تیغه‌ای و سلول‌های استوانه‌ای بزرگ ۴۶۸۰ ایده‌آل می‌کنند.

2. افزایش مقاومت در برابر سایش و سوراخ شدن

   SiC سبز با سختی فوق‌العاده، جداکننده‌ها را از سوراخ شدن ناشی از برآمدگی‌های الکترود و ذرات گرد و غبار محافظت می‌کند و میزان ضایعات سلول‌ها را به دلیل اتصال کوتاه کاهش می‌دهد. این پوشش از نظر شیمیایی پایدار و مقاوم در برابر فرسایش الکترولیت است و پس از غوطه‌وری طولانی مدت در الکترولیت، به سختی پودر می‌ریزد.

3. عایق‌بندی و هدایت حرارتی متعادل: جداکننده، کاتد و آند را از نظر الکتریکی ایزوله می‌کند و در عین حال از اتلاف حرارتی افقی سلول‌ها برای بهبود یکنواختی دمای سلول پشتیبانی می‌کند.

III. ماده تقویت‌کننده کلیدی برای باتری‌های حالت جامد نسل بعدی

1. پرکننده تقویت کننده برای الکترولیت های جامد

   الکترولیت‌های سرامیکی جامد مانند LLZO شکننده هستند و امپدانس بین سطحی بالایی دارند. دوپینگ SiC سبز فوق‌العاده ریز، چقرمگی الکترولیت را بهبود می‌بخشد و امپدانس بین سطحی را کاهش می‌دهد. رسانایی حرارتی فوق‌العاده آن، تجمع گرما و مشکلات ترک خوردگی باتری‌های حالت جامد را در طول شارژ سریع برطرف می‌کند.

2. محافظت از آندهای فلزی لیتیوم

   لایه‌های محافظ کامپوزیتی ساخته شده از پودر کاربید سیلیکون سبز، مانع از نفوذ دندریت لیتیوم و اتصال کوتاه‌های ناشی از آن می‌شوند. در عین حال، رسوب همگن یون لیتیوم را برای پشتیبانی از شارژ سریع با قدرت بالا به دست می‌آورد.

IV. مواد مصرفی مقاوم در برابر سایش و رسانای حرارتی برای تولید مواد کاتدی

1. ناخالصی کم آهن، عدم آلودگی مواد کاتدی به فلزات سنگین را در حین سنگ‌زنی تضمین می‌کند و عملکرد پایدار سلول را تضمین می‌کند.
2. رسانایی حرارتی بالا به سرعت گرمای اصطکاک را در حین سنگ‌زنی از بین می‌برد تا از تخریب حرارتی پودر کاتد جلوگیری کرده و راندمان سنگ‌زنی را افزایش دهد.
3. بوته‌های SiC سبز برای تف‌جوشی پیش‌ماده‌های سه‌تایی در دمای بالا استفاده می‌شوند. آن‌ها نوسانات شدید دما را بدون ترک خوردن تحمل می‌کنند، گرمای شدید را تحمل می‌کنند و از نظر شیمیایی با پودرهای کاتدی بی‌اثر می‌مانند.

V. کاربرد در قطعات ساختاری باتری و پوشش‌های حرارتی

1. مواد کامپوزیتی سبک مقاوم در برابر شعله برای بسته‌های باتری

   پنل‌های کامپوزیتی از فیبر کربن و کاربید سیلیکون سبز روی پوشش‌ها و محفظه‌های باتری اعمال می‌شوند. این پنل‌ها که از فولاد سبک‌تر و در عین حال مقاوم و ضربه‌ناپذیر هستند، هم سبکی و هم ایمنی در برابر برخورد را ارائه می‌دهند.

2. پرکننده پوشش کاربردی برای اتلاف گرما، عایق و ضد خوردگی

   پوشش‌های سرامیکی کاربردی حاوی SiC سبز با خلوص بالا، روی محفظه‌های باتری، صفحات سرد و باس‌بارها اسپری می‌شوند. این پوشش‌ها رسانایی حرارتی، عایق الکتریکی، مقاومت در برابر خوردگی الکترولیت و مقاومت در برابر سایش را با هم ترکیب می‌کنند. این پوشش‌ها که از نظر اتلاف گرما نسبت به پوشش‌های آلومینای سنتی برتری دارند، به طور گسترده برای محافظت از قطعات فلزی در سیستم‌های PACK استفاده می‌شوند.

VI. پشتیبانی از کنترل الکترونیکی: تک بلورهای سبز SiC برای زیرلایه‌های نیمه‌هادی

1. تلفات سوئیچینگ بسیار کمتر نسبت به IGBT های سیلیکونی، مصرف برق اینورترهای خودرو را کاهش داده و برد رانندگی را 5 تا 8 درصد افزایش می‌دهد.
2. تحمل عالی در برابر دمای بالا، اینورترها را کوچک می‌کند و با پلتفرم‌های شارژ سریع ولتاژ بالا مطابقت دارد (سیستم‌های ولتاژ بالای ۸۰۰ ولت به طور استاندارد به دستگاه‌های SiC مجهز هستند).

VII. قوانین انتخاب: کاربید سیلیکون سبز در مقابل آلومینا در مقابل کاربید سیلیکون سیاه

1. SiC سبز از نظر رسانایی حرارتی از آلومینا بهتر عمل می‌کند، که برای سناریوهای شارژ سریع و دمای بالا مناسب است؛ آلومینا هزینه کمتری دارد و بیشتر برای ذخیره انرژی عمومی استفاده می‌شود.
2. کاربید سیلیکون سبز دارای ناخالصی‌های آهن بسیار کمی است و باعث تخلیه خود به خودی سلول ناشی از فلزات سنگین نمی‌شود. SiC سیاه ناخالصی‌های زیادی دارد و فقط برای سناریوهای معمول مقاوم در برابر سایش مناسب است، بنابراین فقط SiC سبز واجد شرایط استفاده در باتری است .

خلاصه چهار مزیت اصلی

1. ایمنی: مقاومت دمای بالای جداکننده‌های پوشش‌دار از فرار حرارتی جلوگیری می‌کند؛ تقویت آند از اتصال کوتاه ناشی از انبساط جلوگیری می‌کند؛ رشد دندریت لیتیوم سرکوب می‌شود.
2. شارژ سریع: رسانایی حرارتی بالا در تمام اجزای باتری، افزایش دما را کاهش می‌دهد تا شارژ با سرعت بالا امکان‌پذیر شود.
3. عمر طولانی: ساختار الکترود تقویت‌شده، واکنش‌های جانبی الکترولیت‌ها را به حداقل می‌رساند و عمر چرخه را افزایش می‌دهد.
4. سازگاری عالی: محتوای ناخالصی کم، آلودگی فلزات سنگین را در طول تولید از بین می‌برد و تفاوت‌های عملکرد بین دسته‌های باتری را کاهش می‌دهد.