Funzioni del carburo di silicio verde nelle batterie per le nuove energie

I. Sistema di elettrodi: principale additivo per anodi per risolvere i principali inconvenienti degli anodi al silicio-carbonio (i più diffusi)

1. Alleviare l’espansione di volume e stabilizzare la struttura dell’elettrodo

   L’aggiunta del 3%~5% di polvere di SiC verde ultrafine (grado D50 micron/nano) forma una struttura tridimensionale rigida che limita l’espansione e la contrazione delle particelle di silicio-carbonio. Ciò previene la formazione di crepe e il distacco dell’anodo, aumentando la durata del ciclo di vita della batteria di oltre 200 cicli.

2. Realizzare reti termicamente conduttive e conduttive per consentire la ricarica rapida

   Il SiC verde ha una conduttività termica di 120~200 W/m·K, superiore a quella della grafite convenzionale. Bilancia isolamento e conduzione del calore per dissipare rapidamente il calore generato durante la ricarica rapida, abbassando la temperatura della cella di 8~10 °C a parità di velocità di ricarica. Riduce efficacemente l’accumulo di calore, la precipitazione del litio e il rigonfiamento della cella durante la ricarica ad alta velocità.

3. Stabilizzare l’interfaccia dell’elettrodo e ridurre il consumo di elettrolita

   Il carburo di silicio verde forma uno strato di passivazione stabile sulla superficie del materiale per frenare la continua decomposizione dell’elettrolita. Facilita la formazione uniforme e stabile del film SEI e riduce il decadimento della capacità durante i cicli di carica/scarica a lungo termine, risultando compatibile con anodi di litio ferro fosfato, ternari e silicio-carbonio.

4. Il carburo di silicio verde modificato può fungere da materiale attivo composito per l’anodo, fornendo ulteriori siti di intercalazione del litio con una capacità specifica che va da 450 a 600 mAh/g, aumentando così la densità energetica complessiva del pacco batteria.

II. Rivestimento ceramico sui separatori delle batterie agli ioni di litio: barriera di sicurezza fondamentale per le batterie di potenza (applicazione matura per la produzione di massa)

1. Migliora la resistenza al calore e previeni l’instabilità termica.

   I separatori rivestiti di allumina si restringono e si rompono a circa 150 °C; i separatori rivestiti di SiC verde resistono al restringimento e alla perforazione a 200 °C. Sono molto meno soggetti a cortocircuiti in caso di perforazione o estrusione da parte di un ago, aumentando la sicurezza contro le perforazioni di circa il 40%, il che li rende ideali per batterie a lama e celle cilindriche di grandi dimensioni 4680.

2. Migliora la resistenza all’usura e alla perforazione.

   Grazie alla sua estrema durezza, il SiC verde protegge i separatori dalle perforazioni causate dalle bave degli elettrodi e dalle particelle di polvere, riducendo il tasso di scarto delle celle dovuto ai cortocircuiti. Chimicamente stabile e resistente all’erosione dell’elettrolita, il rivestimento non rilascia quasi polvere nemmeno dopo una prolungata immersione nell’elettrolita.

3. Isolamento e conduzione termica bilanciati: il separatore isola elettricamente catodo e anodo, favorendo al contempo la dissipazione orizzontale del calore delle celle per una migliore uniformità della temperatura.

III. Materiale di rinforzo chiave per le batterie a stato solido di nuova generazione

1. Riempitivo di rinforzo per elettroliti solidi

   Gli elettroliti ceramici solidi come l’LLZO sono fragili e presentano un’elevata impedenza interfacciale. Il drogaggio con SiC verde ultrafine migliora la tenacità dell’elettrolita e riduce l’impedenza interfacciale. La sua eccezionale conduttività termica risolve i problemi di accumulo di calore e di fessurazione delle batterie a stato solido durante la ricarica rapida.

2. Protezione per anodi di litio metallico

   Gli strati protettivi compositi realizzati con polvere di carburo di silicio verde inibiscono la penetrazione dei dendriti di litio e i conseguenti cortocircuiti. Allo stesso tempo, garantiscono una deposizione omogenea degli ioni di litio per supportare la ricarica rapida ad alta potenza.

IV. Materiali di consumo resistenti all’usura e termicamente conduttivi per la produzione di materiali catodici

1. La bassa percentuale di impurità di ferro garantisce l’assenza di contaminazione da metalli pesanti dei materiali catodici durante la macinazione, assicurando prestazioni costanti della cella.
2. L’elevata conduttività termica dissipa rapidamente il calore generato dall’attrito durante la macinazione, evitando il deterioramento termico della polvere catodica e aumentando l’efficienza del processo.
3. I crogioli in SiC verde sono utilizzati per la sinterizzazione ad alta temperatura di precursori ternari. Resistono a forti sbalzi di temperatura senza incrinarsi, tollerano il calore estremo e rimangono chimicamente inerti con le polveri catodiche.

V. Applicazione in componenti strutturali di pacchi batteria e rivestimenti termici

1. Materiali compositi leggeri e ignifughi per pacchi batteria

   I pannelli compositi in fibra di carbonio e carburo di silicio verde vengono applicati ai coperchi e agli involucri delle batterie. Più leggeri dell’acciaio, ma al contempo resistenti e antiurto, offrono sia leggerezza che sicurezza in caso di collisione.

2. Riempitivo per rivestimenti funzionali con proprietà di dissipazione del calore, isolamento e anticorrosione.

   Rivestimenti ceramici funzionali caricati con SiC verde ad alta purezza vengono spruzzati su involucri di batterie, piastre di raffreddamento e barre collettrici. Questi rivestimenti integrano conduzione termica, isolamento elettrico, resistenza alla corrosione dell’elettrolita e resistenza all’usura. Superiori ai tradizionali rivestimenti di allumina in termini di dissipazione del calore, sono ampiamente utilizzati per la protezione dei componenti metallici nei sistemi PACK.

VI. Supporto al controllo elettronico: monocristalli di SiC verdi per substrati semiconduttori

1. Le perdite di commutazione, nettamente inferiori rispetto agli IGBT al silicio, riducono il consumo energetico degli inverter dei veicoli e aumentano l’autonomia di guida del 5%~8%.
2. L’eccellente resistenza alle alte temperature consente di ridurre le dimensioni degli inverter e di renderli compatibili con le piattaforme di ricarica rapida ad alta tensione (i sistemi ad alta tensione da 800 V sono dotati di serie di dispositivi SiC).

VII. Regole di selezione: Carburo di silicio verde vs. allumina vs. carburo di silicio nero

1. Il carburo di silicio verde (SiC) supera l’allumina in termini di conduttività termica, risultando adatto per la ricarica rapida e per scenari ad alta temperatura; l’allumina ha un costo inferiore ed è utilizzata principalmente per l’accumulo di energia in generale.
2. Il carburo di silicio verde presenta un contenuto di impurità di ferro estremamente basso e non provoca scariche spontanee delle celle causate da tracce di metalli pesanti. Il SiC nero, invece, contiene un eccesso di impurità ed è adatto solo a scenari di utilizzo che richiedono una resistenza all’usura comune; pertanto, solo il SiC verde è idoneo all’impiego nelle batterie .

Riepilogo dei quattro vantaggi principali

1. Sicurezza: l’elevata resistenza alle alte temperature dei separatori rivestiti previene l’instabilità termica; il rinforzo dell’anodo evita i cortocircuiti indotti dall’espansione; la crescita dei dendriti di litio viene soppressa.
2. Ricarica rapida: l’elevata conduttività termica di tutti i componenti della batteria riduce l’aumento di temperatura, consentendo una ricarica ad alta velocità.
3. Lunga durata: la struttura rinforzata dell’elettrodo riduce al minimo le reazioni collaterali degli elettroliti e prolunga la durata del ciclo di vita.
4. Eccellente uniformità: il basso contenuto di impurità elimina la contaminazione da metalli pesanti durante la produzione e riduce le differenze di prestazioni tra i lotti di batterie.