シリコン系アノード市場の現状と拡張テスト評価

市場の状況

新エネルギー産業の活発な発展に伴い、リチウムイオン電池はより高いエネルギー密度とより長いサイクル寿命の方向に徐々に発展しています。既存の黒鉛負極の理論上のグラム容量はわずか 372mAh/g であり、将来の電池エネルギー密度の需要を満たすことができなくなります。シリコンベースの負極は、その高い理論グラム容量、豊富な含有量、および高いリチウム挿入電位により、グラファイトに代わる次世代リチウム電池負極材料となりつつあります。

現在、シリコン系材料の主な開発方向はシリコン・炭素複合材料とシリコン・酸素複合材料である。シリコン炭素材料は、単体のシリコンをマトリックスとして炭素材料を配合したもので、シリコン元素と二酸化ケイ素（SiO2）を高温で気相析出させてシリコン・酸素材料とし、シリコンナノ粒子を均一に分散させたものです。二酸化ケイ素媒体を用いて酸化ケイ素（SiO）を調製し、炭素材料を配合します。

GGII データによると、2021 年には約 11,000 トンのシリコンベースのアノードが再結合後に出荷される予定です。負極の出荷量74万トンに比べ、普及率は1.5％に過ぎず、2022年には再結合後のシリコン系負極の出荷量は1万6千トンに増加する。2023年には配合後のシリコン系負極の出荷量が2万7000トンを超え、今後3年間の配合成長率は60％を超えると予測している。現在、シリコン系負極は主に電気自動車（日本、米国に代表される）や電動工具（主に韓国）の分野で使用されている。2020 年から、消費者向けデジタル製品やウェアラブル製品への応用トレンドが徐々に形成され始めるでしょう。近年では、テスラに代表される動力電池企業はシリコン材料の応用を拡大しており、続く4680大型シリンダーパワーによりシリコン系負極材料の応用が加速する。表 1 は、大手自動車会社および電池工場におけるシリコンベースのアノードの適用の進捗を示しています。

表 1 自動車会社と電池工場におけるシリコンベースの負極の適用の進捗状況

拡張試験評価

シリコン系負極の膨張問題は、シリコンカーボン負極を広範囲に適用する際の最大の障害となっている。膨張による大きな体積変化は、一方では電極の内部応力を蓄積させ、電極の粉砕を引き起こし、電池のサイクル性能や安全性を低下させます。また、負極のSEI膜を繰り返し形成する必要があり、活性リチウム源の損失につながり、一次クーロン効率が低下します。シリコン系負極のリチウム貯蔵機構は合金化リチウム貯蔵である。グラファイトインターカレーション、リチウムインターカレーションとは異なり、シリコン粒子は合金化/脱合金のプロセスで膨大な体積膨張と収縮を引き起こします。₁₅そして₄段階では、対応する最大体積拡張は 300% に達する可能性があります。酸素原子の追加により、シリコン-酸素負極の反応深さが制限されます。膨張率は 120% まで下げることができますが、それでも黒鉛負極の 10% ～ 12% よりははるかに大きいです。体積が大きく膨張するとシリコン材料の粒子が粉砕され、シリコン粒子と導電剤との電気的接触が悪化します。第二に、セイ フィルムの継続的な破壊と再生が起こります。このプロセスでは活性リチウムと電解液が大量に消費されるため、バッテリーの容量低下と劣化が促進されます。

充放電プロセス中のさまざまな時点でのシリコンベースの負極電池の膨張厚さをどのように正確に特徴付けるかは、材料工場や電池工場を悩ませる大きな課題となっています。現時点では、磁極片のスケールを測定する膨張方法と、バッテリーのスケールには、主にマイクロメーターの測定、膜厚計の測定、レーザー厚さ計の測定、製造ツールと圧力センサーの測定が含まれます。&注意;からの研究者合肥ゴション・ハイテク・パワー・エナジー株式会社。ドイツのMahr ミリマール C1216を使用して、リチウムイオン電池の負極の膨張に対するバインダーの影響を研究しました。^[1]。清華大学の研究者は、レーザー厚さ測定を使用してソフトパックバッテリーの極片とセルの変形を研究しました^[2]。エネルギーの学校蘇州大学寧徳新能源の研究者と協力し、圧力センサーを備えた自作の試験装置を使用して、一定のギャップの下で充電および放電中のパウチバッテリーの膨張力を試験しました。使用したデバイスを図 1 に示します。^[3]。

図 1. 膨張応力試験のセットアップ

上記の方法のうち、マイクロメータや膜厚計、レーザー厚さ計などを使用してポールピースの膨張厚さを測定する現場試験は行えません。充放電後にバッテリーを分解し、異なる箇所で測定する必要があります。測定結果に大きな誤差が生じ、充放電プロセス中のポールピースの厚さの変化を正確に反映できません。圧力センサーを用いてツールを装着する方法では、一定のギャップ下での電池の膨張力しか測定できず、リアルタイムで電池の膨張厚さを測定することはできません。充放電過程におけるシリコン系負極材料の厚み変化をより正確に測定するには、 光学顕微鏡を使用してポールピースやバッテリーの厚みや状態をその場で観察できます^[4]。

シリコンベース負極の実際の試験要件とさまざまな試験方法の長所と短所に基づいて、IEST はシリコンベース負極の現場膨潤分析システム (SWE2110、IEST) と現場急速膨潤スクリーニングを独自に開発しました。 (RSS1400、IEST)。モデルのボタン電池を使用して、ポールピースレベルでその場膨張試験を実行します。同時に、その場でのセル膨張試験は、一定の厚さのパウチバッテリーで実行できます。操作が便利なだけでなく、テストコストを大幅に節約し、シリコンベースの材料拡張の評価サイクルを当初の数十日から 1 ～ 2 日に短縮します。RSS1400 の物理的な図を図 2(a) に示します。

図2.(a)シリコンベースのアノードの現場での急速膨潤スクリーニング (RSS1400、IEST)

(b) 3 つの異なる構造設計による SiC 材料の膨潤の比較。

まとめ

リチウムイオン電池の急速な発展に伴い、シリコン系負極材料の適用範囲と市場シェアも年々増加しています。シリコンベースの負極の膨張は、その急速な開発を妨げる重要な要因であり、現在の材料膨張阻害修飾と細胞層膨張の効果的なモニタリングも業界開発の焦点です。IEST RSS シリーズは、シリコンベースの負極のその場急速膨張スクリーニングです。シリコンベースのアノードは、シリコンベースの材料の膨張を監視するために開発された特殊な装置で、ポールピースレベルと組み合わせることで、さまざまなプロセス変更材料の迅速な評価を実現し、材料の効果的な手段として使用できます。開発と入荷素材のモニタリング。

参考文献

[1] 彼 ゆゆ、チェン 魏、フォン 徳勝、張 ホンリ. リチウムイオン電池負極の膨張に対するバインダーの効果 [J]. バッテリー、2017、47(03):169-172。

[2] 張正徳。リチウムイオン軟包装電池の変形に関する研究[D]。清華大学、2012 年。

[3] 丹生 シャオジュン、呉 甲斐、朱 グオビン、王 ヤン、クゥ クンティング、鄭 本河. サイクル中のリチウムイオン電池のシリコンベース負極の膨張応力 [J]. エネルギー ストレージ 科学 そして テクノロジー、2022、11( 09):2989-2994。

[4] 金輝 ガオ、インロン C、樊恵 M、他。リチウムイオン電池のその場光学顕微鏡観察に関する研究[J]。エネルギー貯蔵科学技術、2022、11(1): 53.