Funções do carboneto de silício verde em baterias de novas energias

I. Sistema de elétrodos: principal aditivo para ânodos que resolve as principais desvantagens dos ânodos de silício-carbono (os mais utilizados)

1. Aliviar a expansão de volume e estabilizar a estrutura do elétrodo.

   A adição de 3% a 5% de pó de SiC verde ultrafino (grau micron/nano D50) forma uma estrutura tridimensional rígida que restringe a expansão e a contração das partículas de silício-carbono. Isto evita fissuras e desprendimento do ânodo, aumentando a vida útil da bateria em mais de 200 ciclos.

2. Construir redes termicamente condutoras e condutoras para permitir o carregamento rápido.

   O SiC verde apresenta uma condutividade térmica de 120 a 200 W/m·K, superior à do grafite convencional. Equilibra o isolamento e a condução de calor para dissipar rapidamente o calor gerado durante o carregamento rápido, reduzindo a temperatura da célula em 8 a 10 °C sob taxas de carregamento idênticas. Isto mitiga eficazmente a acumulação de calor, a precipitação de lítio e o abaulamento da célula durante o carregamento a alta velocidade.

3. Estabilizar a interface do elétrodo e reduzir o consumo de eletrólito.

   O carboneto de silício verde forma uma camada de passivação estável na superfície do material para conter a decomposição contínua do eletrólito. Facilita a formação uniforme e estável da película SEI e reduz a perda de capacidade durante ciclos de longa duração, sendo compatível com os ânodos de fosfato de ferro-lítio, ternários e de silício-carbono.

4. O carboneto de silício verde modificado pode servir como material ativo de ânodo composto, proporcionando locais extra de intercalação de lítio com uma capacidade específica que varia entre 450 a 600 mAh/g, aumentando assim a densidade de energia global da bateria.

II. Revestimento cerâmico em separadores de baterias de iões de lítio: Barreira de segurança essencial para baterias de alta potência (aplicação consolidada na produção em massa)

1. Melhora a resistência ao calor e bloqueia a fuga térmica.

   Os separadores revestidos com alumina encolhem e rompem a aproximadamente 150 °C; separadores revestidos com SiC verde resistem ao encolhimento e à perfuração a 200 °C. São muito menos propensos a curto-circuitos sob perfuração por agulha ou extrusão, aumentando a segurança contra perfurações em cerca de 40%, o que os torna ideais para baterias tipo lâmina e grandes células cilíndricas 4680.

2. Aumenta a resistência ao desgaste e à perfuração.

   Com uma dureza extrema, o SiC verde protege os separadores contra perfurações causadas por rebarbas de elétrodos e partículas de pó, reduzindo as taxas de eliminação de células devido a curto-circuitos. Quimicamente estável e resistente à erosão do eletrólito, o revestimento praticamente não liberta pó mesmo após imersão prolongada em eletrólito.

3. Isolamento e condução de calor equilibrados: O separador isola eletricamente o cátodo e o ânodo, ao mesmo tempo que suporta a dissipação horizontal de calor das células para uma melhor uniformidade da temperatura das células.

III. Materiais de reforço essenciais para as baterias de estado sólido da próxima geração

1. Carga de reforço para eletrólitos sólidos

   Os eletrólitos cerâmicos sólidos, como o LLZO, são frágeis e apresentam uma elevada impedância interfacial. A dopagem com SiC verde ultrafino melhora a resistência do eletrólito e reduz a impedância interfacial. A sua excelente condutividade térmica resolve os problemas de acumulação de calor e fissuras em baterias de estado sólido durante o carregamento rápido.

2. Proteção para ânodos de lítio metálico

   As camadas protetoras compostas por pó de carboneto de silício verde inibem a penetração dos dendritos de lítio e os consequentes curtos-circuitos. Ao mesmo tempo, promovem a deposição homogénea de iões de lítio, suportando o carregamento rápido de alta potência.

IV. Consumíveis resistentes ao desgaste e termicamente condutores para o fabrico de materiais catódicos

1. A baixa pureza do ferro garante que não há contaminação por metais pesados ​​nos materiais do cátodo durante a moagem, assegurando um desempenho consistente da célula.
2. A elevada condutividade térmica remove rapidamente o calor de fricção durante a moagem, evitando a deterioração térmica do pó do cátodo e aumentando a eficiência da moagem.
3. Os cadinhos de SiC verde são utilizados para a sinterização a alta temperatura de precursores ternários. Suportam flutuações bruscas de temperatura sem fissurar, toleram o calor extremo e permanecem quimicamente inertes com pós catódicos.

V. Aplicação em componentes estruturais de baterias e revestimentos térmicos

1. Materiais compósitos leves e retardantes de chama para baterias.

   Os painéis compostos por fibra de carbono e carbeto de silício verde são aplicados nas tampas e invólucros das baterias. Mais leves que o aço, mas altamente resistentes e à prova de impactos, proporcionam tanto leveza como segurança em colisões.

2. Material de revestimento funcional para dissipação de calor, isolamento e anticorrosão.

   Os revestimentos cerâmicos funcionais carregados com SiC verde de alta pureza são pulverizados em caixas de baterias, placas frias e barramentos. Estes revestimentos integram condução térmica, isolamento elétrico, resistência à corrosão do eletrólito e resistência ao desgaste. Superiores aos revestimentos de alumina tradicionais em dissipação de calor, são amplamente utilizados para a proteção de componentes metálicos em sistemas PACK.

VI. Suporte ao controlo eletrónico: monocristais de SiC verdes para substratos semicondutores

1. Perdas de comutação muito menores do que as dos IGBTs de silício reduzem o consumo de energia dos inversores veiculares e aumentam a autonomia em 5% a 8%.
2. A excelente tolerância a altas temperaturas permite a redução do tamanho dos inversores e a compatibilidade com plataformas de carregamento rápido de alta tensão (os sistemas de alta tensão de 800 V estão equipados de série com dispositivos de SiC).

VII. Regras de Seleção: Carbeto de Silício Verde vs. Alumina vs. Carbeto de Silício Preto

1. O SiC verde supera a alumina em termos de condutividade térmica, sendo adequado para cenários de carregamento rápido e de alta temperatura; a alumina custa menos e é utilizada principalmente para armazenamento geral de energia.
2. O carboneto de silício verde apresenta níveis muito baixos de impurezas de ferro e não provoca descarga espontânea da célula devido a vestígios de metais pesados. O carboneto de silício preto contém impurezas em excesso e é apenas adequado para aplicações comuns de resistência ao desgaste; portanto, apenas o carbeto de silício verde está qualificado para utilização em baterias .

Resumo das quatro principais vantagens

1. Segurança: A resistência a altas temperaturas dos separadores revestidos impede a fuga térmica; o reforço do ânodo evita curtos-circuitos induzidos pela expansão; o crescimento de dendrites de lítio é suprimido.
2. Carregamento rápido: A elevada condutividade térmica em todos os componentes da bateria reduz o aumento da temperatura, permitindo um carregamento a alta velocidade.
3. Vida útil longa: A estrutura reforçada do elétrodo minimiza as reações secundárias dos eletrólitos e prolonga a vida útil do ciclo.
4. Excelente consistência: O baixo teor de impurezas elimina a contaminação por metais pesados ​​durante a produção e reduz as diferenças de desempenho entre lotes de baterias.