Перспективность этой технологии подтверждается большим количеством компаний на ранних стадиях разработки, специализирующихся в основном на анодных материалах, большинство из которых сосредоточены на кремнии, по сравнению с другими областями разработки литий-ионных аккумуляторов.
Причина такого интереса заключается в том, что кремний обладает потенциалом значительного увеличения плотности энергии батарей, поскольку его емкость на порядок выше, чем у широко используемого графита. Плотность энергии на уровне ячейки может почти удвоиться по сравнению с современным уровнем развития технологий, что обеспечит явные преимущества для запаса хода электромобилей и времени автономной работы смартфонов. Кроме того, кремний может также повысить привлекательность ячеек с более низким энергопотреблением, таких как литий-железо-фосфатные (LFP) ячейки, сократив разрыв с никель-марганцево-кобальтовыми (NMC) ячейками и минимизировав основной недостаток LFP, особенно для электромобилей. Расчеты IDTechEx показывают, что добавление 20% кремния в анод может повысить плотность энергии на 17%.
Проблема использования кремния в качестве анода заключается в его долговечности, или, скорее, в его отсутствии. Изменения объема, происходящие с ним во время циклов, приводят к расходу электролита и лития, а также вызывают механические напряжения, которые в конечном итоге приводят к потере электрической и ионной проводимости. В разработке находятся решения, такие как создание пористости, добавление электролитных присадок, а также проводящих и межсоединительных сетей. Кремний также имеет меньший риск образования дендритов, а пористость и проводящие добавки, которые обычно требуются, дополнительно способствуют быстрой зарядке и работе при низких температурах. В целом, кремниевые аноды представляют собой очень перспективное решение, и компании уже анонсируют элементы с приемлемым сроком службы, демонстрируя, что главный недостаток кремния находится на пороге преодоления.
Литий-металлические аноды также демонстрируют большие перспективы для повышения плотности энергии, но опять же, они страдают от короткого срока службы. Кроме того, они несут более высокий риск образования дендритов и коротких замыканий. В качестве решения широко разрабатываются твердотельные электролиты, но также исследуются конструкции, использующие тонкий защитный барьер и стабильный жидкий электролит в качестве средства для создания литий-металлических анодов. Фактически, использование более традиционной системы сепаратор/электролит может быть выгодно для повышения плотности энергии и технологичности производства, хотя преимущества безопасности при использовании твердого электролита придется несколько уменьшить. После решения некоторых технических и эксплуатационных проблем кремния и литий-металлических анодов, ключом к их успеху станет сосредоточение внимания на том, как эти решения могут производиться в больших масштабах и интегрироваться в существующие процессы производства батарей. При схожих преимуществах и недостатках, в конечном итоге вопрос будет заключаться не в том, использовать кремний или литий, а в применении конкретной инновации или решения.
Помимо плотности энергии, быстрая зарядка — еще один ключевой показатель, способный привлечь внимание. Кремниевые аноды могут быть пригодны для быстрой зарядки, и заявления о возможностях быстрой зарядки элементов на основе литий-металлических сплавов свидетельствуют о том, что в этой области также ведутся улучшения, хотя производительность необходимо проверить в коммерчески значимых конструкциях элементов. Однако некоторые области применения могут требовать как возможности быстрой зарядки, так и очень длительного срока службы, превышающего 1000 циклов, обычно возможных для кремния или лития. Toshiba, Echion и Nyobolt разрабатывают другие новые анодные материалы на основе оксидов ниобия и вольфрама, которые обещают время зарядки от 5 до 6 минут и срок службы в несколько тысяч циклов, но с плотностью энергии ниже, чем у LFP.
Хотя эти материалы обладают долгосрочными преимуществами, их сравнительно низкая плотность энергии исключает их использование в электромобилях и большинстве потребительских устройств, хотя существуют области применения, где высокая мощность и длительный срок службы могут быть очень ценными. Поэтому графит, за которым следуют кремний и металлический литий, станут ключевыми материалами для анодов в следующем десятилетии. IDTechEx прогнозирует, что спрос на кремниевые анодные материалы по весу будет расти со среднегодовым темпом роста в 45% в период с 2022 по 2032 год. Для получения дополнительной информации о передовых технологиях, игроках и рынках анодных материалов см. новый отчет IDTechEx «Передовые литий-ионные и перспективные литиевые батареи 2022–2032: технологии, игроки, тенденции, рынки». Для получения дополнительной информации об исследованиях IDTechEx в области твердотельных батарей, аккумуляторов или рынков электромобилей посетите сайт www.IDTechEx.com.
