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利用硅阳极电池为下一代电动汽车提供更快速的充电

2021-04-29 Maurizio Di Paolo Emilio 阅读:
许多制造商正在寻找新的解决方案(材料),用来克服锂离子(Li-ion)电池中石墨阳极的局限性。新型硅阳极电池技术可以为电池快速充电,有望在5至10分钟内充至其容量的80%以上,还不会损坏电池外形,同时还能将能量密度提升2至3倍。

为了创造更加可持续的未来,汽车制造商们正努力引进新型的电动汽车(EV)。这些电动汽车的问世会使对于能源的需求发生重大改变,我们需要更强大的快速充电网络,而硅(Si)阳极电池有可能是实现这一点的关键技术。Coretec集团(The Coretec Group)的首席执行官(CEO)Michael Kraft接受了《Power Electronics News》的采访,我们重点讨论了这些新方案的特性,并分析了有哪些材料可以促进电动汽车的发展。 Coretec集团致力于为多个有前景的市场研发并商业化新技术,例如储能,太阳能,固态照明,可打印电子产品和3D显示器。IJBednc

Kraft说:“我们的研究重心是各种应用于下一代技术的先进材料,以应对各种全球的挑战性领域,例如半导体,太阳能电池板,LED和用于大功率和快速充电的下一代硅阳极电池。我们一直在寻找用于实现这些下一代技术的材料,以及可以与之合作或可以收购的企业。目前,我们的投资重点是环己硅烷(CHS)的商业化。”IJBednc

Kraft指出,Coretec 集团的产品系列主打硅产物的生产,首先是环六硅烷(Si6H12),这是一种液体,当暴露于热或紫外线时会转变为纯硅,暴露初期形成非晶硅,然后随着暴露量的增加,转变为结晶硅。IJBednc

CHS是一种纯物质,是能量存储先进应用中的关键。通过与Evonik的合作,Coretec集团为客户提供了CHS样品进行评估;Evonik可以提供大量生产所需的材料。 CHS的纯度可以被改变,来满足特殊的市场应用需求,并且CHS的定价与其纯度有关。 Kraft说:“ Coretec的环己硅烷非常适合那些对硅和/或掺杂硅(C,Ge,B,Co和P)的纯度、安全性、快速沉积速率和低温沉积有着高要求的应用。”IJBednc

IJBednc

图1: 环己硅烷的转化。IJBednc

环己硅烷(CHS)在电动汽车中的重大用途

电动汽车(EV)是替代普通汽油车辆的一种更环保的选择,但电动汽车还缺一项关键的功能:便捷性。电动汽车的基础设施和电池容量都无法与当今的汽车相提并论。加油站随处可见,但电动汽车的充电站却尚未普及,这意味着驾驶员须在出行前制定详细的充电计划。电动汽车需要搭载快速充电功能和支持长距离驾驶的电池,这些高效的基础设施将有助于电动汽车的成功。IJBednc

许多制造商正在寻找新的解决方案(材料),用来克服锂离子(Li-ion)电池中石墨阳极的局限性。新型硅阳极电池技术可以为电池快速充电,有望在5至10分钟内充至其容量的80%以上,还不会损坏电池外形,同时还能将能量密度提升2至3倍。IJBednc

即将面世的2.0代锂离子电池将采用新材料,用来增加能量密度并解决电池膨胀问题。Kraft指出,有很多企业正在与材料工程师合作,将纳米技术加入到制造过程中,例如加入诸如CHS之类的Si前体。IJBednc

Kraft讲解到,CHS能提供比传统前体更快的器件制造速度,更重要的是,它还可以生成非晶纳米结构,这意味着电池可以实现快速充电,同时避免膨胀。这种材料还可以使电池能够承受许多次的充电和放电循环,这也是电动汽车的一个重要考量。IJBednc

Kraft说:“ 通过用硅碳纳米结构和合金代替锂离子电池中常用的石墨阳极,Coretec环六硅烷也许能够提高能量密度。这些材料存储了更多的锂离子,在降低电池损耗的同时提高了能量密度。”IJBednc

CHS是一种液态硅前体,应用在锂离子电池的阳极。它的液态特性为加工低成本碳硅纳米结构提供了优势,使其能够直接替代高能锂离子中的石墨。这种电池的一个主要优势是拥有更高的充电/放电寿命周期和更高的能量密度。IJBednc

Kraft指出,特斯拉表示他们正朝着硅阳极方案迈进,这代表了电动汽车电池的一个重要里程碑。消费者需要一种能够更快充电,行驶得更远,使用寿命更长的电池,而当今的材料还不足以应对这一挑战。IJBednc

SiC制造的新功能

电力电子学在宽禁带材料需求方面正以惊人的速度发展。满足设计参数的碳化硅(SiC)可以有效地增强电动汽车的动力,并有助于提升电动汽车的系统性能和长期可靠性。IJBednc

SiC器件越来越多地用于对尺寸、重量和效率有着严格要求的高压功率转换器中,与常用的Si器件相比,SiC器件具有许多更有吸引力的特性。SiC器件的导通电阻和开关损耗要低得多,并且SiC的导热系数要比Si高3倍左右,因此可以更快地散热。这一点非常重要,因为当硅基器件的面积变小时,电转换过程中产生的热量变得更加难以散出,而SiC的散热效果更好。IJBednc

SiC晶片与传统的Si晶片相比复杂得多,并且由于市场需求量大,在SiC大规模商业化并完全替代传统形式的Si之前,还有许多障碍问题需要克服。CHS这种硅前体可以在这一点上提供帮助。IJBednc

高性能的SiC器件一直以来都受到以下限制:无法在低缺陷密度的半导体晶圆上生长SiC膜,以及如果采用将SiC层粘附到基底上会遇到的其他困难:常见的例子有α-SiC(例如,4H-SiC,6H- SiC)和β-SiC(3C-SiC)。IJBednc

β-SiC作为电力电子器件的替代材料,它的广泛采用还存在一些挑战。其中特别需要注意的一项挑战是对于硅前体的需求,采用的硅前体无论从经济角度还是化学角度上,都要能够帮助SiC器件研发出先进的薄膜和结构。IJBednc

在常规条件下,CHS可以在多种基底上形成β-SiC薄膜。另外,CHS可以帮助β-SiC膜简单地进行p型掺杂。这种前体可以简化从运输到存储以及硅沉积的过程,从而有助于电力电子技术的发展。Kraft指出,CHS有望以一种高性价比的方式克服SiC半导体生产中的传统限制。IJBednc

电动汽车的自主性直接反映了其动力系统和能源管理系统的效率。除了必要的基础设施(例如随处可用的快速充电系统)之外,电动汽车还必须搭载优化了的SiC电力电子设备,以及具有更高能量密度和更短充电时间的Si基阳极电池。电动汽车进行了这些改进后,不仅会被大规模地采用,取代当今的汽油车辆,并且还将创造出世界所需的可持续电动汽车。IJBednc

(本文转载自《电子工程专辑》,原文刊登于Aspencore旗下Power Electronics News网站,参考链接:Nanotechnology Enables Next Generation of EV Charging。) IJBednc

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Maurizio Di Paolo Emilio
Maurizio Di Paolo Emilio拥有物理学博士头衔,也是一名电信工程师和记者。 他曾参与引力波研究领域的各种国际项目,曾与研究机构合作设计空间应用数据采集和控制系统。 他的几本著作曾在斯普林格出版社出版过,并撰写过许多关于电子设计的科学和技术出版物。
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