Il silicio è un materiale altamente auspicabile per gli anodi nelle batterie dei veicoli elettrici, siccome la sua densità energetica è oltre nove volte più alta rispetto a quella degli anodi di grafite disponibili, cosa che consente una più alta velocità di carica. Cambiando significativamente la densità energetica di una batteria, gli anodi di silicio colmano il divario di prezzo, di velocità di carica e di chilometraggio prima del rifornimento esistente tra i veicoli elettrici e quelli con motore a combustione interna.
I produttori di automobili cercano di utilizzare il silicio nelle batterie.
«Il silicio ha prestazioni eccellenti ed è poco costoso», come è stato sottolineato durante la presentazione di Tesla Battery Day 2020.
«È necessario cambiare la struttura chimica delle celle, passando dal grafite al silicio... densità energetica più alta, meno deposizioni di litio, ricarica più veloce», afferma Oliver Blume, presidente del comitato esecutivo della Porsche AG, durante l'evento Volkswagen Power Day 2021.
«...il silicio può legare più ioni di litio rispetto al semplice grafite», ha dichiarato Frank Blome, capo dell'unità operativa per le batterie e i sistemi ad accumulatori nella Volkswagen Group Components, durante Volkswagen Power Day 2021.
Il silicio ha un problema fondamentale e irresoluto che riguarda la sua espansione durante il processo di carica e scarica della batteria, cosa che porta alla formazione di fessure e alla perdita del contatto tra le particelle del materiale silicico.
Come conseguenza, la batteria con silicio si guasta molto presto. Questo problema rende impossibile l'utilizzo del silicio, il materiale migliore in termini di densità energetica, nei componenti delle moderne batterie agli ioni di litio.
I nanotubi di grafene TUBALL™ ricoprono la superficie delle particelle del silicio e creano tra di loro connessioni altamente conduttive e durevoli. Tali connessioni sono talmente dense, lunghe, conduttive e resistenti che persino quando le particelle di silicio nell'anodo si espandono e il materiale comincia a spaccarsi, le particelle rimangono ben connessi tra di loro con l'aiuto dei nanotubi di grafene TUBALL™.
Ciò impedisce il guasto dell'anodo e prolunga significativamente il suo ciclo di vita, così da soddisfare anche i più severi requisiti dei produttori dei veicoli elettrici.
Se aggiunti all'anodo di silicio, i nanotubi di grafene collegano insieme le particelle di silicio, anche durante la loro espansione, e mantengono il contatto elettrico. Ciò consente di impedire il deterioramento della batteria.
Oggi i nanotubi di grafene TUBALL™ sono l'unico materiale che crea ponti lunghi, flessibili e conduttivi che consentono un buon collegamento tra le particelle dell'anodo di silicio persino in caso di forte espansione del volume e di formazione di fessure.
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I produttori leader delle batterie agli ioni di litio hanno dimostrato che i nanotubi TUBALL™ consentono di creare anodi contenenti fino al 20% di SiO e che, quindi, possono assicurare una densità energetica da record fino a 300 Wh/kg e 800 Wh/l. Ciò consente la possibilità di ricarica rapida. Queste celle di batteria possono fornire fino a +15% di autonomia in più rispetto alle migliori celle di batteria agli ioni di litio sul mercato.
I risultati del team R&D della società OCSiAl dimostrano che TUBALL™ consente l'aumento massimo della percentuale di SiO nell'anodo fino al 90%; come conseguenza, la densità energetica è di 350 Wh/kg.
Le batterie con TUBALL™ sono già in produzione di serie presso alcuni produttori leader delle batterie agli ioni di litio.
Per facilitare l'uso dei nanotubi di grafene nelle batterie, l'OCSiAl ha sviluppato il prodotto pronto all'uso TUBALL™ BATT che contiene nanotubi ben dispersi in diversi liquidi trasportatori e che può essere semplicemente miscelato durante le lavorazioni di produzione standard.
TUBALL™ BATT H2O è una dispersione TUBALL™ ultra-fine in acqua per gli anodi di silicio ad alta energia. Crea una solida rete dentro l'anodo di silicio e risolve il problema chiave del suo deterioramento, il che per la prima volta ha consentito ai produttori delle batterie agli ioni di litio di utilizzare una quantità da record di silicio dentro le celle e di raggiungere i valori target della densità energetica, nonché ha aperto le possibilità per la ricarica veloce.
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The pitch-derived soft carbon and SWCNTs provided an excellent conductivity, and the porous structure of the composite accommodated the stress produced by the Si expansion.
The all‐nanomat full cell shows exceptional improvement in battery energy density – 479 Wh/kg battery, and Si-anode capacity – 1166 mAh/g.
High thickness and specific capacity leads to areal capacities of up to 45 and 30 mAh cm−2 for anodes and cathodes, respectively. Combining optimized composite anodes and cathodes yields full cells with state-of-the-art areal capacities (29 mAh cm−2) and specific/volumetric energies (480 Wh kg−1 and 1,600 Wh l−1).
Areal capacities greater than 10 mAh/cm2 and volumetric capacities greater than 1400 mAh/cm3 can be achieved.
The use of SWCNT conductive additive enables graphite-free SiO electrodes with 74% higher volumetric energy and superior full-cell cycling compared to graphite electrodes.
The best results overall are obtained with 0.5%wt SWCNT added to the active powder, which produced 800mAh/g after 250 cycles.
