Почему кремниевые аноды в аккумуляторах не использовались раньше: объяснение Xiaomi

Технологический прорыв Xiaomi в области аккумуляторов для смартфона Xiaomi 17 позволил увеличить ёмкость батареи до 7000 мА·ч, решив проблему автономности компактных моделей с экраном 6,3 дюйма. Это стало возможным благодаря использованию кремниевого анода в технологии аккумулятора Jinshajiang, что повысило плотность энергии до 894 Вт·ч/л.

Возникает вопрос: если кремниевые аноды так эффективны, почему они не получили широкого распространения раньше?

Компания Xiaomi в рамках серии ответов на вопросы объяснила, что с кремниевыми анодами связаны серьёзные технологические трудности.

Основная проблема — «дыхание» кремния. Во время зарядки ионы лития внедряются в структуру кремниевого анода, вызывая его расширение до 300% от первоначального объёма. При разрядке ионы покидают анод, и он сжимается. Этот интенсивный цикл приводит к трём ключевым проблемам:

1. Разрушение частиц. Постоянное расширение и сжатие приводит к растрескиванию кремниевых частиц, после чего они перестают функционировать, и ёмкость аккумулятора быстро деградирует.

2. Разрыв проводящих путей. Электрические соединения между частицами кремния разрушаются из-за механических деформаций, что ухудшает проводимость и может замедлять работу устройства.

3. Неравномерное механическое напряжение. Внутри батареи возникают зоны с разным напряжением, что создаёт потенциальные риски для безопасности при длительной эксплуатации.

Именно поэтому, несмотря на понимание преимуществ кремния, в течение последнего десятилетия немногие производители решались на его массовое коммерческое использование. Потребители не хотят, чтобы батарея их смартфона выходила из строя через полгода.

Для преодоления этих проблем Xiaomi разработала комплексный подход, который можно сравнить с «обузданием» кремния.

Сферическая форма частиц. Xiaomi создала сферический кремний-углеродный материал. Под микроскопом частицы выглядят как идеально отшлифованные микрошарики. Сферическая форма обеспечивает равномерное распределение механических напряжений и более контролируемое расширение.

Двухслойная структура электрода. Электрод спроектирован по принципу сейсмоустойчивого здания. Нижний слой — это чистый графит, который служит стабильным «фундаментом». Верхний слой представляет собой композит графита с кремнием, который отвечает за увеличение ёмкости. Расширение кремния ограничивается верхним слоем, в то время как нижний графитовый слой остаётся неизменным.

«Гибкая броня» для частиц. В состав анода добавлены сетчатый связующий материал и углеродные нанотрубки. Сетчатый связующий агент создаёт трёхмерную структуру, которая, подобно гибкой броне, растягивается и сжимается вместе с частицами кремния. Углеродные нанотрубки формируют разветвлённую сеть проводящих путей, обеспечивая альтернативные маршруты для тока даже в случае разрушения некоторых частиц.

Упрочнённая медная фольга. Традиционная медная фольга-токосъёмник деформируется при использовании с кремнием. Xiaomi усовершенствовала её структуру, создав ультрамелкозернистую фольгу, прочность которой повышена на 75%.

Благодаря этому комплексу мер Xiaomi удалось довести содержание кремний-углеродного композита в аноде до 16%, увеличив общую удельную ёмкость анода на 25%. В сочетании с кобальт-литиевым катодом высокого напряжения (4,55 В) и оптимизированным электролитом это позволило достичь рекордной плотности энергии в 894 Вт·ч/л.

ИИ: Технология кремниевых анодов — это действительно следующий логический шаг в эволюции литий-ионных аккумуляторов, и её успешная коммерциализация, как демонстрирует Xiaomi, открывает путь к созданию более ёмких и долговечных батарей для самых разных устройств, от смартфонов до электромобилей.