Çip teknolojisini kullanarak, 3B lityum pilin "patlayıcı paket" sorununu çözmesi bekleniyor
Modern mobil cihazlarda yaygın olarak kullanılan lityum piller, hafiflik, yüksek verimlilik ve yüksek enerji yoğunluğu gibi diğer pillerin karşılayamayacağı bir dizi avantaja sahiptir.
Bununla birlikte, geleneksel lityum pil yapısal tasarım ve üretim sürecinin doğasında olan kusurlar, lityum pilin kaçınılmaz bir güvenlik tehlikesine sahip olmasına neden olacaktır. Yonga üretim teknolojisi sayesinde Enovix, mevcut en iyi performans gösteren lityum pili tasarladı ve bu pili üretme teknolojisinin tüm lityum pil endüstrisini değiştirmesi bekleniyor.
Lityum piller, modern dijital devrimin ana gücüdür. Cep telefonları, dizüstü bilgisayarlar ve otomobiller gibi bir dizi mobil elektronik cihazda yaygın olarak kullanılmaktadır ve şu anda iş dünyasında en çok aranan enerji depolama sistemlerinden biridir.
Diğer kimyasal pillere kıyasla, Lityum pil hafif ve yüksek enerji yoğunluğudur Böylece hacim küçük olabilir ve çeşitli modern taşınabilir mobil cihazlara yerleştirilebilir.
Lityum piller olmadan, modern kadar gelişmiş akıllı telefonlar ve dizüstü bilgisayarlar olmazdı ve elektrikli araçların geleceği de endişe verici.
Lityum pillerin ticarileşmesinden bu yana, ticari olarak çok başarılı olmasına rağmen, yine de bariz eksiklikleri vardır: Maliyet hala yüksek; yüksek sıcaklıklarda kararsızdır; patlayabilir veya yangına neden olabilir.
Geçen yıl, lityum pillerin yanması ve patlamasıyla ilgili bir dizi şok edici haber vardı: dizüstü bilgisayar yandı, uçuş iptal edildi ve hoverboard çalışırken alev aldı. Amerika Birleşik Devletleri'nde, geçen yıl lityum pillerde çıkan yangın nedeniyle Samsung, değeri 5 milyar ABD doları olan Galaxy Note 7 akıllı telefonlarını geri çağırdı ve Samsung'un piyasa değerini milyarlarca dolar düşüren modeli kullanmaya devam etmeyi askıya aldı.
Aylarca süren testlerden sonra Samsung bunları duyurdu Arıza esas olarak lityum pilin tasarımından kaynaklanmaktadır . Geleneksel lityum pil tasarımı, o zamanlar anlamlı olan belirli bir tarihsel geçmişe dayanmaktadır. Ama bugün yapabiliriz Daha iyisini yapmak için çip üretim endüstrisi tarafından sağlanan üretim sürecini kullanın .
California merkezli bir şirket olan Enovix, şu anda piyasada bulunanlardan daha küçük, daha ucuz ve daha güvenli lityum piller üretebildiklerini kanıtladı.
Şekil | Enovix silikon lityum pil prototipinin enine kesit görünümü
Enovix 2007 yılında kuruldu, şirketin başlangıç sermayesi Silikon Vadisi'ndeki birkaç risk sermayesi şirketinden geldi. Şirket ilk olarak, şarj edilebilir lityum piller için anot malzemesi olarak grafit yerine silikonun ikame edilip edilemeyeceği konusunda bir kavram kanıtı çalışması gerçekleştirdi.
2012 yılında şirket, geleneksel lityum pillerden daha yüksek enerji yoğunluğuna sahip piller üretmeye başladı. Ardından stratejik yatırımcılar Cypress Semiconductor, Intel ve Qualcomm'un yardımıyla Enovix, düşük maliyetli, yüksek hacimli üretim sistemleri geliştirmeye başladı.
Geleneksel lityum pil tasarımı, Sonynin teyp üretim sürecinden kaynaklanmıştır:
Manyetik bant, bir plastik film bant tabanına manyetik hamurun kaplanması, ardından kurutulması, uzun şeritler halinde kesilmesi ve ardından yuvarlanmasıyla yapılır. Kimyasal bulamaç metal folyo üzerine kaplanmışsa, kurutun ve elektrot tabakaları halinde kesin;
Daha sonra, iyonların iki elektrot arasında akmasına izin vermek, ancak elektronların geçmesine izin vermemek için iki elektrot tabakası arasında bir polimer elektrolit membranı sandviçleyin;
Son olarak, tüm istiflenmiş yapı, pilin anahtar kısmını oluşturan bir jöle rulosu gibi birbirine sarılır.
Bu tasarım çok zekice, ancak Bu pillerin performansını daha da iyileştirmek daha zor hale geliyor .
Bir yandan bu tasarım alanı boşa harcar ve enerji yoğunluğunu sınırlar; diğer yandan lityum pillerin malzeme seçimi ve montaj süreci bataryayı potansiyel güvenlik tehlikeleri ile karşı karşıya bırakacaktır.
Enovix piller bu konuda önemli iyileştirmeler yaptı: İlk olarak, silikon plaka üzerinde piller üretmek için silikon plaka fotolitografi kullanın; ikinci olarak, geleneksel lityum pillerin anot malzemesi olan grafiti gözenekli silikonla değiştirin.
Şekil | Geleneksel bir lityum pilin iç enine kesit görünümü Pilin anot ve katot tabakaları bir polimer diyaframla ayrılır, düzleştirilir ve metal bir kasa içine paketlenir
Monte edilmiş geleneksel bir lityum pilde, enerji depolayan tek malzeme anot (negatif elektrot) ve katodu (pozitif elektrot) oluşturan parçacıklardır. Normal şartlar altında, metal folyo akım toplayıcı, elektrolit, ambalaj malzemeleri ve kullanılmayan alan, pilin toplam hacminin% 40'ını oluşturur.Bu kadar büyük miktarda kullanılmayan enerji depolama alanı, pilin enerji yoğunluğunu büyük ölçüde azaltır.
Enovix pilleri, 1 mm kalınlığındaki silikon levhalar üzerinde katotlar, anotlar ve diyaframlar üretmek için çip endüstrisinden silikon yonga litografisini kullanır ve bu da boşa harcanan alanı önemli ölçüde azaltır. Bu bataryada 7 Pil hacminin% 5'i enerji depolamak için kullanılır Bu, geleneksel pillerden yaklaşık% 25 daha fazla kapasitedir.
Benzer şekilde, belirli bir kapasiteye sahip bir pil için, pilin ağırlığı orantılı olarak azalacaktır. Pil mobil cihazlarda kullanıldığında hacim genellikle daha kritik bir kısıtlamadır. .
Şekil | Yoğun paketleme: Lityum pil yapısı, pil enerji yoğunluğunu ve güvenliğini önemli ölçüde artıran, 1 mm kalınlığında ince bir düzlemde kademeli olarak yerleştirilmiş katotlar,% 100 silikon anotlar ve seramik diyafram içerir. Kaynak: Jean-Luc Fortier
Elektrotların silikon plaka üzerine entegre edilmesi, pilin katotunu daha güvenli hale getirir. Genel olarak, katot malzemesinin kendi çalışma sıcaklığı aralığı vardır.Çalışma sıcaklığı kritik sıcaklığı aştığında, katot malzemesi otomatik olarak ayrışır ve yanmayı destekleyen oksijeni serbest bırakır.
Bu işlem devam ederse yangın veya patlamaya neden olabilir. Batarya yapısı katodu silikonla ayrılmış binlerce minik parçaya böler.Silikonun ısı iletim hızı çok hızlıdır, bu da termal difüzyonun neden olduğu yangın ve patlamayı zorlaştırır.
Bir lityum pilin anodu olarak silikon kullanmak, arıza olasılığını da azaltabilir. . Lityum iyonları bir lityum metal oksit katottan bir grafit anoda (mobil cihazlarda lityum piller için neredeyse standart anot malzemesi) aktığında da ek sorunlar ortaya çıkabilir. Genellikle lityum iyonları, grafit kristal kafes yapısının boşluklarında bulunur.
Bununla birlikte, yüksek akım, aktif anot malzemelerinin yerel eksikliği veya düşük ortam sıcaklığı, lityum iyonlarının grafit yüzeyine taşınmasına neden olabilir.
Daha sonra, lityum metal dendritlerin yapısında birikme eğilimindedir.Pilin şarj edilmesi ve boşaltılması sırasında, dendritler büyümeye devam edecek ve sonunda diyaframı delip kısa devreye neden olacak ve bu da yangına veya patlamaya neden olabilir.
Son olarak, geleneksel lityum piller aşırı ısınmadan sonra kararsız hale gelir ve bu da termal olarak indüklenen arızaya neden olabilir.
Şekil | Termal arıza: Manyetik kayıt bandı üretim teknolojisi ile üretilen geleneksel lityum pil yapısı ısıya karşı hassastır, bu da patlamaya veya yangına neden olabilir ve bu da feci sonuçlara neden olur. 1. Isı üretimi; 2. Koruyucu tabaka hasarı; 3. Elektrolit, yanıcı gaza ayrışır; 4. Kısa devreye neden olabilecek zar erir; 5. Katot hasarı ve oksijen oluşumu Resim kaynağı: llustration
Silikon anodun başka bir avantajı vardır: Spesifik kapasite büyük ölçüde geliştirildi . Geleneksel lityum piller için, pil şarj edildiğinde, grafit anot lityum iyonlarını emerek lityum karbür (LiC6) oluşturur; pil boşaldığında lityum iyonları elektrolite geri döner ve grafitin teorik spesifik kapasitesi yaklaşık 372 mAh / g'dır.
Bir lityum pil, silikon ve lityumun anotu olarak silikon kullanılması, şarj sırasında bir Li22Si5 alaşımı oluşturabilir.Pilin teorik özgül kapasitesi 4200mAh / g kadar yüksektir ki bu çok büyük bir miktardır.
Bununla birlikte, silikon, grafiti değiştirdikten sonra başka bir sorun çıkaracaktır: Silikon lityumu emdikten sonra, Silikon büyük ölçüde genişler 4 kata kadar pil yapısının bütünlüğünü bozacaktır.
Enovix pili, bu sorunu çözmek için gözenekli silikon kullanır: şarj etme ve boşaltma işlemi sırasında, genişleme, gözenekli silikon malzemenin gözeneklerini küçültür ve tüm anodu genişletmez, bu da pili tekrar tekrar şarj etme ve boşaltma döngüleri sırasında yapar. Yapının bütünlüğü korunabilir.
Bu anot genişlemesini kontrol etme yeteneği, Sony'nin öncülüğünü yaptığı geleneksel lityum iyon pil yapısını geride bırakan Enovix pil sisteminin temel avantajlarından biridir. Aynı hacim koşullarında Enovix pil kapasitesi, geleneksel lityum pillerin kapasitesinin 1,5-3 katına ulaşabilir.
Boş pil yapısı tasarımı başka bir avantaj sağlar: Yükseltilmiş güvenlik . Peki nasıl çalışıyor?
bir taraftan, Pil daha iyi bir ayırıcı kullanıyor . Geleneksel lityum pillerde, ayırıcı genellikle plastik veya polimer malzemelerden yapılır, çünkü ayırıcı malzeme sarılabilecek kadar esnek olmalıdır. Bununla birlikte, plastikler ve diyaframlar, yüksek sıcaklıklarda bozulmaya eğilimlidir. Bu düz tasarım, ısı direncini artıran ve arıza riskini azaltan diyafram olarak seramik kullanmamızı sağlar.
Deneyler, yukarıda belirtilen önemli iyileştirmelerin Sadece lityum pillerin kapasitesini artırmakla kalmaz, aynı zamanda temelde patlama ve yangın riskini de ortadan kaldırır. .
Enovix bir test yaptı: 130 mAh kapasiteli geleneksel bir lityum pili ve kendileri tarafından üretilen 100 mAh silikon lityum pili kendi kapasitelerinin% 250'sine kadar şarj edin ve ardından standart akupunktur testini geçti. Sonuç olarak, geleneksel lityum iyon pil aniden alev aldı, ancak silikon lityum iyon pil alev almadı.
Başka bir Enovix deneyi gösterdi ki Aynı koşullar altında, bu yeni tip silikon lityum pil Geleneksel lityum pillerden Daha yüksek kapasiteye sahiptir.
Şekil | Kaliforniya, Fremont'taki Enovix pilot tesisi: Standart güneş pili üretim ekipmanı tarafından üretilen 3B silikon plaka Kaynak: Enovix Corporation
Pil üretim teknolojisinin çoğu çip üretim endüstrisinden gelmektedir. Litografi ve silikon levhaların dünyayı değiştirdiği ilk şey değil Bu, bilgisayarlar entegre devreleri kullanmaya başladığında oldu.
Bu teknolojiler uzun süredir ışık yayan diyotlar, katot ışın tüpleri, lazerler ve video ekranları gibi birçok ürünü üretmek için kullanılmaktadır. Bu teknolojiyi bilgisayar çipi üretiminde kullanın Tüm lityum pil endüstrisini tamamen değiştirebilir.
