Наступил век кремния… для аккумуляторов

С момента коммерческого дебюта литий-ионных батарей три десятилетия назад эта портативная технология хранения энергии высокой плотности (и получившая Нобелевскую премию) произвела революцию в области бытовой электроники, электромобилей и крупномасштабного хранения энергии. И все же, даже несмотря на огромные достижения в этой технологии — например, ошеломляющее тридцатикратное падение цен в период с 1991 по 2018 год — самые большие улучшения произошли в основном на катодной стороне литий-металл-оксида. Графитовые аноды литий-ионных батарей, напротив, в основном остались прежними.

Кремний уже давно перспективен в качестве среды для анодов, поскольку он может удерживать в 10 раз больше ионов лития по весу, чем графит. Фактически, первое задокументированное использование кремния в качестве анода для литиевых батарей даже предшествовало использованию графита — на семь лет. Но эксперименты с этим элементом столкнулись с техническими проблемами, включая расширение объема анода при нагрузке ионами лития и возникающее в результате разрушение материала, которое может произойти, когда анод расширяется и сжимается.

Однако теперь, спустя примерно 15 лет постепенных улучшений и разбитых надежд, наконец пришло время кремния как основного материала в батареях.

«Кремний изменил способ хранения информации, а теперь он меняет способ хранения энергии». – Рик Костантино, Group14

Некоторые автопроизводители и стартапы с кремниевыми анодами объединились для производства более дальнобойных и недорогих электромобилей, которые могут появиться на дорогах к середине десятилетия. General Motors и OneD Battery Sciences из Пало-Альто, Калифорния, внедряют кремниевую нанотехнологию OneD в аккумуляторные элементы Ultium GM. Кремниевый анод компании Sila Nanotechnologies из Аламеды, Калифорния, который с 2021 года питает фитнес-трекер Whoop, к 2026 году будет установлен на внедорожнике Mercedes G-Class. Group14 Technologies в Вудинвилле, штат Вашингтон, должна установить кремниевую батарею в Porsche EV к следующему году.

В конце 2022 года Group14, Sila и Amprius Technologies во Фремонте, Калифорния, привлекли почти полмиллиарда долларов для коммерциализации своих анодных материалов, из них 250 миллионов долларов США поступило от Министерства энергетики США, а для Group14 - еще 214 миллионов долларов США в виде частных инвестиций. . Все три планируют запустить в эксплуатацию отечественные заводы мощностью в гигаватты в ближайшие несколько лет. Group14 начала строительство электростанции мощностью 20 гигаватт в Мозес-Лейк, штат Вашингтон, в апреле.

«Кремний изменил способ хранения информации, а теперь он меняет способ хранения энергии», — говорит технический директор Group14 Рик Костантино.

Кремний обещает электромобили с большей дальностью хода, более быстрой зарядкой и более доступной ценой, чем те, чьи батареи оснащены современными графитовыми анодами. Он не только поглощает больше ионов лития, но и быстрее переносит их через мембрану аккумулятора. И поскольку это самый распространенный металл в земной коре, он должен быть дешевле и менее подвержен проблемам в цепочке поставок. В настоящее время почти весь графитовый анодный материал обрабатывается в Китае.

Сообщается, что Tesla добавила до 5 процентов кремния в аноды своих батарей. Но стартапы по производству кремниевых анодов хотят пойти гораздо дальше.

Когда исследователи впервые начали исследовать кремний для изготовления анодов литиевых батарей (как отмечалось выше, в 1976 году, еще до того, как графит стал компромиссным решением), резкое набухание и сжатие кремния во время зарядки и разрядки быстро разрушило анод. А побочные реакции усложняли процесс зарядки и сокращали срок службы батареи.

Некоторые коммерческие производители аккумуляторов, в том числе Tesla, увеличили емкость анодов своих батарей по удержанию лития, добавив небольшое количество (обычно до 5 процентов) кремния. Но стартапы по производству кремниевых анодов хотят пойти гораздо дальше.

Большинство из них рассматривают нанотехнологический кремний как способ решения проблем набухания и побочных реакций. Профессор Стэнфордского материаловедения И Цуй и его лаборатория положили начало этой области исследований, опубликовав в 2008 году в журнале Nature Nanotechnology статью о кремниевых нанопроволоках, устойчивых к набуханию. Другие вскоре придали этому иное значение: сферические кремниевые наночастицы, частицы типа ядро-оболочка, состоящие из кремниевых ядер с защитным покрытием вокруг них, и кремниевые частицы с травлеными поверхностями.