Silizium ist ein äußerst wünschenswertes Material für Anoden in Batterien der Elektrofahrzeuge, da es die neunfache Energiedichte im Vergleich zu aktuellen Graphit-Anoden hat und schnellere Ladegeschwindigkeiten ermöglicht. Durch die erhebliche Änderung der Energiedichte einer Batterie schließen die Silizium-Anoden die Lücke in Kosten, Ladegeschwindigkeit und Reichweite zwischen Elektrofahrzeugen und Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren.
Die Autohersteller streben die Verwendung von Silizium in Batterien an.
„Silizium ist ausgezeichnet und preiswert“, hieß es auf der Präsentation von Tesla Battery Day 2020.
„Die chemische Struktur der Zellen muss von Graphit auf Silizium umgestellt werden… zu höherer Energiedichte, geringerer Lithiumabsetzung, schnelleres Laden“, sagte Oliver Blume, Vorstandsvorsitzender der Porsche AG, beim Volkswagen Power Day 2021.
„…Silizium kann mehr Lithium-Ionen binden als nur Graphit“, erklärt Frank Blome, Leiter Batterien und Systeme von Volkswagen Group Components beim Volkswagen Power Day 2021.
Silizium hat ein grundlegendes und immer noch ungelöstes Problem der Ausdehnung beim Laden und Entladen von Batterien, was zu Rissen und Kontaktverlust zwischen den Partikeln des Siliziummaterials führt.
Dadurch fällt die Silizium-Batterie sehr schnell aus. Dieses Problem macht die Verwendung des Siliziums, des besten Materials in Bezug auf die Energiedichte, in aktuellen Lithium-Ionen-Batterien unmöglich.
TUBALL™ Graphen-Nanoröhren bedecken die Oberfläche von Siliziumpartikeln und bilden hochleitfähige und dauerhafte Verbindungen zwischen ihnen. Diese Verbindungen sind so dicht, lang, leitfähig und fest, dass selbst wenn sich die Siliziumpartikel in der Anode ausdehnen und das Material zu reißen beginnt, die Partikel dank TUBALL™ Graphen-Nanoröhren sicher miteinander verbunden bleiben.
Dies verhindert den Anodenausfall und erhöht erheblich die Lebensdauer – hoch genug, um die strengsten Anforderungen der Hersteller von Elektrofahrzeugen zu erfüllen.
Bei Zugabe zur Silizium-Anode verbinden die Graphen-Nanoröhren Siliziumpartikel miteinander, selbst wenn sie sich ausdehnen, und halten den elektrischen Kontakt aufrecht. Dies verhindert die Zersetzung der Batterie.
Heute ist TUBALL™ das einzige Material, das lange, flexible, leitfähige und feste Brücken bildet, die die Verbindung zwischen den Partikeln der Silizium-Anode selbst bei starker Volumenausdehnung und Rissbildung aufrecht erhält.
Führende Hersteller von Lithium-Ionen-Batterien haben bewiesen, dass es dank TUBALL™ Nanoröhrenmöglich ist, Anoden mit bis zu 20% SiO-Gehalt zu produzieren und somit die rekordverdächtigen Energiedichten von bis zu 300 Wh/kg und 800 Wh/l zu gewährleisten. Dies ermöglicht ein schnelles Aufladen. Diese Batteriezellen können eine um 15% höhere Reichweite haben als die besten marktüblichen Lithium-Ionen-Batterien.
Die Ergebnisse des R&D Teams von OCSiAl zeigen, dass TUBALL™ eine maximale Erhöhung des SiO-Gehalts in der Anode auf bis zu 90% ermöglicht, was zu einer Energiedichte von 350 Wh/kg führt.
Die Batterien mit TUBALL™ sind bereits bei einer Reihe führender Hersteller von Lithium-Ionen-Batterien in Serienfertigung.
Um die Anwendung von Graphen-Nanoröhren in Batterien einfacher zu machen, hat OCSiAl ein gebrauchsfertiges Produkt TUBALL™ BATT entwickelt, das die fachgerecht dispergierten Nanoröhren in verschiedenen Trägerflüssigkeiten enthält und bei normalen Herstellungsprozessen einfach beigemischt werden kann.
TUBALL™ BATT H2O ist eine ultrafeine Dispersion von TUBALL™ im Wasser für hochenergetische Silizium-Anoden. TUBALL™ bildet ein robustes Netzwerk innerhalb der Silizium-Anode und löst das grundlegende Problem mit ihrer Zersetzung. Das ermöglichte den Herstellern von Lithium-Ionen-Batterien erstmals, Rekordmengen an Silizium in den Zellen zu verwenden, die Zielwerte bei der Energiedichte zu erreichen, und die Möglichkeiten zum schnellen Aufladen zu ermöglichen.
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The pitch-derived soft carbon and SWCNTs provided an excellent conductivity, and the porous structure of the composite accommodated the stress produced by the Si expansion.
The all‐nanomat full cell shows exceptional improvement in battery energy density – 479 Wh/kg battery, and Si-anode capacity – 1166 mAh/g.
High thickness and specific capacity leads to areal capacities of up to 45 and 30 mAh cm−2 for anodes and cathodes, respectively. Combining optimized composite anodes and cathodes yields full cells with state-of-the-art areal capacities (29 mAh cm−2) and specific/volumetric energies (480 Wh kg−1 and 1,600 Wh l−1).
Areal capacities greater than 10 mAh/cm2 and volumetric capacities greater than 1400 mAh/cm3 can be achieved.
The use of SWCNT conductive additive enables graphite-free SiO electrodes with 74% higher volumetric energy and superior full-cell cycling compared to graphite electrodes.
The best results overall are obtained with 0.5%wt SWCNT added to the active powder, which produced 800mAh/g after 250 cycles.
