Ứng dụng của bột siêu mịn silicon carbide xanh trong pin lithium và vật liệu lưu trữ năng lượng mới
Đặc điểm cốt lõi của silicon carbide xanh: độ tinh khiết cao, khả năng cách điện, chịu nhiệt độ cao, chống ăn mòn điện phân, độ dẫn nhiệt cao và hàm lượng tạp chất kim loại nặng thấp, hoàn toàn khác biệt với silicon carbide đen dẫn điện. Silicon carbide đen có tính dẫn điện và dễ gây ra hiện tượng đoản mạch nhỏ trong pin; do đó, chỉ silicon carbide xanh mới có thể được sử dụng trong các tình huống an toàn cốt lõi của pin lithium. Nó bao gồm sáu lĩnh vực chính: màng ngăn, vật liệu pin, bao bì PACK, bảo vệ thiết bị, pin thể rắn và vật liệu phụ trợ lưu trữ năng lượng.
I. Lớp phủ gốm cho màng ngăn pin lithium
Các loại pin lithium công suất cao và pin lưu trữ năng lượng chu kỳ dài sử dụng hỗn hợp gốm dạng sệt gồm alumina và silicon carbide xanh.
Khả năng chịu nhiệt độ cao
Chịu được nhiệt độ lên đến 1500℃ ngay lập tức. Trong trường hợp pin bị thủng và quá nhiệt, khung lớp gốm không bị tan chảy, giữ chặt kích thước màng ngăn và ngăn ngừa sự tiếp xúc diện tích lớn giữa điện cực dương và âm, giảm đáng kể nguy cơ quá nhiệt.
Đảm bảo cách nhiệt
Silicon carbide màu xanh lá cây có khả năng cách điện cao, ngăn ngừa hiện tượng dẫn điện của các hạt gây ra đoản mạch nhỏ trong pin; silicon carbide màu đen có tính dẫn điện, do đó việc sử dụng nó trong màng ngăn pin lithium bị nghiêm cấm.
Điện trở điện phân
Với đặc tính trơ về mặt hóa học, nó không bị hòa tan hoặc ăn mòn ngay cả sau khi ngâm lâu trong dung dịch điện phân cacbonat, ngăn ngừa ô nhiễm dung dịch điện phân và sự xuống cấp theo chu kỳ.
Khả năng chống mài mòn và chống đâm thủng
Độ cứng cao giúp ngăn ngừa bột phủ dễ dàng rơi ra trong quá trình cán, xẻ và cuộn, tránh làm tắc nghẽn các lỗ xốp của điện cực; ức chế sự hình thành các nhánh lithium đâm xuyên vào màng ngăn.
II. Vật liệu cải tiến tổng hợp cho điện cực và cực dương của pin
1. Điều chỉnh lớp phủ cực dương than chì
Bột siêu mịn silicon carbide nano-xanh được sử dụng để phủ lên bề mặt than chì tự nhiên và nhân tạo như một chất độn hỗn hợp cho cực dương:
Các hạt cứng giúp giảm thiểu sự giãn nở của than chì sau khi chèn lithium, làm giảm hiện tượng vỡ vụn điện cực và tăng tuổi thọ chu kỳ lên hơn 30%;
Một lớp màng thụ động SEI ổn định được hình thành trên bề mặt, làm giảm các phản ứng phụ liên tục trong chất điện giải và giảm tiêu hao chất điện giải;
Việc cải thiện độ dẫn nhiệt của cực dương cho phép tản nhiệt nhanh chóng trong quá trình sạc nhanh, giảm nguy cơ quá nhiệt cục bộ của điện cực.
2. Gia cường cực dương Silic-Carbon
Các điện cực anot silicon-carbon có hệ số giãn nở cao. Việc kết hợp silicon carbide xanh siêu mịn giúp tăng độ cứng cho cấu trúc đỡ chắc chắn, cải thiện độ bền của điện cực; đồng thời, nó đảm bảo độ dẫn nhiệt đồng đều, giải quyết vấn đề điểm nóng cục bộ trong các điện cực anot gốc silicon.
III. Mô-đun lưu trữ năng lượng PACK: Hợp chất đổ khuôn cách điện và dẫn nhiệt, chất kết dính cấu trúc và chất độn
. Hợp chất đổ khuôn epoxy/silicone được sử dụng rộng rãi trong các bộ pin lưu trữ năng lượng, bo mạch chủ BMS, thanh dẫn điện bằng đồng cao áp và khối đầu cuối. Silicon carbide xanh là chất độn được ưa chuộng vì khả năng dẫn nhiệt và cách điện, giải quyết hoàn hảo các vấn đề khó khăn trong ngành:
Đạt được đồng thời khả năng dẫn nhiệt và cách điện.
Độ dẫn nhiệt 120~150W/m・K, cao hơn nhiều so với alumina; khi được lấp đầy bằng silicon hoặc epoxy, nhiệt lượng tỏa ra trong quá trình sạc và xả của mô-đun được tản nhiệt nhanh chóng; đồng thời, điện trở suất thể tích cực cao của nó đảm bảo cách điện và ngăn ngừa rò rỉ điện dưới điện áp cao, làm cho nó phù hợp với các bộ lưu trữ năng lượng điện áp cao (nền tảng 800V).
Than chì và cacbua silic đen có khả năng dẫn nhiệt nhưng không dẫn điện, và việc đổ khuôn ở điện áp cao có thể dẫn đến rò rỉ và đoản mạch; alumina có độ dẫn nhiệt tương đối thấp.
Chống chịu được điện giải và nhiệt độ ẩm
Môi trường lưu trữ năng lượng thường có sự chênh lệch nhiệt độ lớn và dễ bị ngưng tụ hơi nước.
Silicon carbide màu xanh lá cây có khả năng chống lại axit, kiềm và thủy phân, đảm bảo rằng hợp chất đổ khuôn không bị nứt hoặc mất khả năng cách điện trong thời gian dài sử dụng ngoài trời.
IV. Lớp phủ cách điện, chống mài mòn và chống ăn mòn đặc biệt cho thiết bị dây chuyền sản xuất pin lithium
Lớp phủ bảo vệ bề mặt trên cùng và lớp phủ bảo vệ bề mặt con lăn cho máy phủ, máy ép con lăn, máy xẻ rãnh, thiết bị tạo hình và thiết bị thử nghiệm lưu trữ năng lượng đều phải sử dụng silicon carbide màu xanh lá cây; không được sử dụng silicon carbide màu đen.
Yêu cầu cách nhiệt
Đối với các thiết bị có dòng điện yếu hoặc điều khiển điện áp cao, lớp phủ phải có khả năng cách điện để ngăn ngừa rò rỉ và hư hỏng pin.
Khả năng chống mài mòn và ăn mòn
Để ngăn bụi điện cực và chất điện phân bắn vào gây ăn mòn thiết bị, silicon carbide xanh làm tăng độ cứng của lớp phủ, giúp chống lại sự ăn mòn do chất điện phân và ma sát.
Khả năng chịu nhiệt độ cao
Lớp phủ sẽ không bị phấn hóa hoặc nứt ngay cả sau khi tiếp xúc lâu dài với nhiệt độ cao (120~180℃) trong lò phủ.
V. Các chất làm đầy chính cho pin lithium thể rắn
1. Hợp chất điện phân rắn gốc oxit với bột siêu mịn cacbua silic xanh
Cải thiện độ bền cơ học của chất điện phân rắn và ức chế sự xâm nhập của các nhánh tinh thể lithium; đồng thời tối ưu hóa độ dẫn nhiệt, giải quyết vấn đề sinh nhiệt tập trung do điện trở trong của pin thể rắn; ổn định về mặt hóa học và không phản ứng phụ với chất điện phân rắn.
2. Nhựa composite gốm bao bọc tế bào thể rắn
Nhựa silicon carbide màu xanh lá cây, chịu nhiệt độ cao, cách điện và chống biến dạng, thích hợp cho quá trình thiêu kết ở nhiệt độ cao của pin thể rắn.
VI. Vật liệu hỗ trợ lưu trữ năng lượng và các thành phần cấu trúc gốm
1. Các linh kiện chức năng bằng gốm cho pin lithium-ion (Vật liệu chính để thiêu kết):
Gốm silicon carbide được thiêu kết từ bột silicon carbide siêu mịn được sử dụng để sản xuất các linh kiện cho ngành công nghiệp lưu trữ năng lượng:
Lưỡi cắt điện cực bằng gốm và con lăn bằng gốm; có khả năng chống mài mòn và cách điện, chúng sẽ không làm trầy xước điện cực và không làm nhiễm bẩn các ngăn pin bằng mảnh vụn kim loại;
Lò nung và tấm nung pin; chịu được nhiệt độ cao và ăn mòn trong môi trường nung pin lithium-ion, thích hợp cho việc nung vật liệu pin.
2. Lọc chất điện giải và phụ kiện đường ống chống ăn mòn
Các bộ lọc và ống gốm silicon carbide màu xanh lá cây, có khả năng chống ăn mòn chất điện giải, được sử dụng cho hệ thống lọc tuần hoàn chất điện giải và đường ống vận chuyển trong lưu trữ năng lượng.
VII. Nhựa cách nhiệt và tản nhiệt cho hệ thống quản lý pin lưu trữ năng lượng (BMS) và các linh kiện điện áp cao.
Hộp đấu nối lưu trữ năng lượng, đầu nối điện áp cao và giá đỡ cách nhiệt và tản nhiệt cho IGBT chủ yếu sử dụng các loại nhựa kỹ thuật cải tiến như PPS, PEEK và PA66, với silicon carbide xanh làm chất độn cải tiến:
1. Độ dẫn nhiệt cao giúp tản nhiệt hiệu quả, giải quyết vấn đề sinh nhiệt trong các thiết bị lưu trữ năng lượng;
2. Cách điện hoàn toàn, ngăn ngừa dẫn điện cao áp và rò rỉ;
3. Có khả năng chống lại sự ăn mòn của chất điện phân và lão hóa ở nhiệt độ cao/thấp, thích hợp cho việc lưu trữ năng lượng ngoài trời lâu dài.