باحث سريع لتفعيل كل إمكانيات السليكون في البطاريات

سعة تخزين أكبر بعشر مرات من الجرافيت ، المادة المستخدمة حتى الآن في بطاريات الليثيوم أيون لتعزيز الشحن. هذا هو سبب توقع استخدام السيليكون في السنوات القادمة ، سواء في "الهواتف الذكية" أو الأجهزة وكذلك في أنودات بطاريات السيارات (وهو قطاع أعلنت فيه فولكس فاجن للتو عن الإنشاء الوشيك لمصنع ضخم في ساجونتو. لتصنيع بطاريات للسيارات الكهربائية ، مع جيل متوقع من 3.000 وظيفة). وأكدت شركات مثل Sila Nanotechnologies ، في الولايات المتحدة ، بدء إنتاج وحدات بطارياتها الأولى بهذا المعدن.

يوجد في إسبانيا العديد من مراكز الأبحاث التي تعمل على هذا المعدن ، وهو ثاني أكثر المعادن وفرة في قشرة الأرض ويمكن الوصول إليه بسهولة أكثر من الجرافيت (كما هو الحال في العديد من الحالات الأخرى - على سبيل المثال ، "الأرض النادرة" - مع الهيمنة الصينية) ، كما هو موجود في الصخور أو الرمل ، وبمجرد استخراجه ، يمكن أن يبدأ دورة حياته المفيدة.

هذا ما يفعلونه في Floatech ، وهو فرع من IMDEA Materials (معهد أبحاث مرتبط بمجتمع مدريد) ، بتمويل مشترك من قبل Juan José Vilatela و Richard Schäufele ، وهو جزء من مجموعة Nanocomposites متعددة الوظائف التابعة للمعهد.

الحاضر والمستقبل

يسلط فيلاتيلا ، وهو مهندس فيزيائي من الجامعة الأيبيرية الأمريكية في المكسيك ودكتوراه من جامعة كامبريدج ، الضوء على جوهر العمل مع هذه المادة: بالإضافة إلى تقليل الوزن والحجم ".

كدليل على الباحث ، يركز الابتكار على تحسين العملية لتكون في كل مكان في التصنيع الأكبر "الموقع الفاضل" ، والسعر المنخفض ... مع عودة الإنتاج المستدام: "يتطلب السيليكون عملية تحول إلى جهاز ، من أجل والتي في Floatech تزيل جميع المذيبات وعملية الخلط ، وبالتالي سيتم تقليل الأثر البيئي ". جولة في منتصف جولة الاستثمار ، بهدف بناء أول مصنع تجريبي في عام 2023 والحصول على منتج جاهز بحلول عام 2025 (حصلوا على دعم من مجلس البحوث الأوروبي ، من مشروع متميز في البحث).

بالطبع ، على الرغم من أن السيليكون يأتي محملاً بالمزايا ، إلا أنه يقدم بعض الأمور الضرورية ، مثل تكسيره بسبب التغيرات المستمرة في الحجم النموذجي لعملية الشحن والتفريغ في بطاريات الليثيوم أيون. بهذا المعنى ، تسلط كارمن مورانت ، أستاذة الفيزياء التطبيقية في جامعة مدريد المستقلة ، الضوء على أهمية هذا المعدن: "إنه واعد جدًا كمواد أنود لبطاريات الليثيوم ، لأنه العنصر الذي يتمتع بأعلى قدرة نظرية محددة. وفيرة جدا في الطبيعة. يمكن أن يكون مهمًا جدًا ، على سبيل المثال ، في تخزين الطاقات المتجددة. ومع ذلك ، نظرًا للاختلافات الضخمة في الحجم التي تحدث عند إدخال / استخراج الليثيوم في السيليكون ، حيث تزداد المادة وتنخفض في الحجم حتى أربعة أضعاف ، يتشقق الأنود ، وينكسر ويفقد البطارية الاستقرار. لهذا السبب ، ندرس كيفية زيادة العمر الإنتاجي لهذه البطاريات من خلال استخدام مواد ذات أبعاد صغيرة ، مثل ، على سبيل المثال ، أغشية السيليكون الرقيقة وأسلاك السيليكون النانوية ".

كان الحل خطوة فيزيائية ضرورية ، كما يشير مورانت ، "من خلال العمل مع طبقات أرق بكثير من السيليكون وتصنيع أسلاك السيليكون النانوية المحاذاة رأسياً. لتصور ذلك ، سيكون شيئًا مشابهًا لموجات الألم ، بين تلك المساحات التي تزداد في الحجم يمكن استيعابها أثناء عمليات التحميل والتفريغ ". يسلط الاختصاصي الضوء أيضًا على أن هناك نوعين من السيليكون في هذا المجال: "البلوري (أغلى ثمناً وغير قابل للتطبيق تجاريًا) ، وغير المتبلور ، وأكثر مسامية ويمكن أن يكون" مخدر "بإدخال المواد بحيث لا يزال أكثر موصلية ، والتي نقوم بالتحري عنها بالتعاون مع مجموعة أجهزة السيليكون المودعة ، وحدة الطاقة الشمسية الكهروضوئية التابعة لـ CIEMAT (مركز أبحاث الطاقة والبيئة والتكنولوجيات) ".

في حالة Marta Cabello ، باحثة ما بعد الدكتوراه في مجموعة أبحاث Cell Prototyping في CIC energiGUNE ، سلطت الضوء على كيفية استخدام الصناعة ، حتى الآن ، لكميات منخفضة جدًا من السيليكون في الأنودات ، بين 5 و 8٪. ويسلط الضوء على مشاركة المؤسسة في المشروع الأوروبي 3beLiEVe ، "الذي يهدف إلى تعزيز مكانة صناعة البطاريات والسيارات الأوروبية في السوق المستقبلية للسيارات الكهربائية من خلال وتوريد الجيل الأول من البطاريات. المصممة والمصنعة في أوروبا. في هذا المشروع يتم التحقيق في إدخال السيليكا في مادة الأنود.

وقد سبق هذا التطوير للمركز ، الواقع في حديقة ألافا للتكنولوجيا ، المشاركة في مشروع أوروبي بارز آخر Graphene Flagship Core 2 ، "حيث تم إجراء بحث على أنودات السيليكون جنبًا إلى جنب مع الجرافين ، وتمكنت من توسيع نطاق هذه المجموعة من المواد من أجل كتلة الإنتاج ".

العصر الجديد

نتيجة للاستدامة ، يشير Cabello إلى أن الزيادة في كثافة الطاقة للبطارية ستجعل من الممكن الحصول على سيارات كهربائية ببطاريات قادرة على توفير المزيد من الكيلومترات في شحنة واحدة: بطاريات ليثيوم أيون صناعية في أنودات السيليكون إلى الحد الأدنى ، يتم تصنيع هذه الأنودات ومعالجتها في وسط مائي ، بعيدًا عن المذيبات العضوية الشائعة الاستخدام ، والتي تعتبر سامة وتقلل من سلامة البطاريات ".

ميزة أخرى هي شركة Ferroglobe الإسبانية ، جنبًا إلى جنب مع Little Electric Cars ، التي تم اختيارها في مشروع البحث والابتكار الثاني لعموم أوروبا (IPCEI) الذي يغطي سلسلة قيمة البطارية بأكملها.

الشركة الرائدة عالميًا في إنتاج سبائك السيليكون والمعادن والمنغنيز الحديدية ، ولديها قاعدة عملاء عالمية في الأسواق سريعة النمو والديناميكية مثل الطاقة الشمسية والسيارات والمنتجات الاستهلاكية والبناء وقطاع الطاقة ، مع مصانع في إسبانيا وفرنسا والنرويج وجنوب إفريقيا والولايات المتحدة وكندا والأرجنتين والصين (26 مركزًا للإنتاج ، مع 69 فرنًا حول العالم ، وحوالي 3400 موظف حول العالم).

في مركز الابتكار والبحث والتطوير التابع لها (في سابون ، لاكورونيا) ، جنبًا إلى جنب مع مصنع السيليكا ميتالورجيا ، المصنع الوحيد في إسبانيا ، أطلقت Ferroglobe خطة ابتكار استراتيجية لتطوير مسحوق السيليكون (ميكرومتر وقياسي نانوي) لأنود الليثيوم بطاريات أيون. "تريد الشركة (كما أشاروا) تقديم حلول للتحدي الحالي الذي يواجه صناعة السيارات والتنقل ، مثل تعزيز الانتقال نحو تقنيات أكثر استدامة وحيادية للمناخ. في هذا السياق ، تعد البطاريات تقنية أساسية لهذا التغيير ، ولكن من الضروري ضمان توفير المواد المتقدمة اللازمة لتصنيعها ". سيناريو دولي يتم فيه إنشاء السيليكون كأحد المواد الأساسية للعقد الأول لتوضيح العلاقة بين الربحية والاستدامة.