Yonga teknolojisini kullanarak, silikon plaka lityum pillerin "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 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 olay meydana geldi: dizüstü bilgisayarlar yakıldı, uçuşlar iptal edildi ve hoverboardlar çalışırken tutuştu. Amerika Birleşik Devletleri'nde, geçen yıl lityum pillerdeki bir yangın nedeniyle Samsung, değeri 5 milyar ABD doları olan Galaxy Note 7 akıllı telefonlarını geri çağırdı ve modelin sürekli kullanımını askıya alarak Samsung'un piyasa değerini milyarlarca dolar düşürdü.
Aylarca süren testlerden sonra Samsung bunları duyurdu Arıza esas olarak lityum pilin tasarımından kaynaklanmaktadır . Geleneksel lityum pil tasarımı, belirli bir tarihsel geçmişe dayanmaktadır, ancak bugün tamamen Lityum pillerin üretim seviyesini iyileştirmek için çip üretim teknolojisini kullanın .
California merkezli bir şirket olan Enovix, şu anda piyasada bulunanlardan daha küçük, daha ucuz ve daha güvenli lityum piller üretebileceklerini belirtti.
Şekil | Enovix silikon lityum pil prototipinin enine kesit görünümü
Enovix, Silikon Vadisi'ndeki çeşitli risk sermayesi şirketlerinin başlangıç sermayesiyle 2007 yılında kurulmuştur. Şirketin ilk projesi, şarj edilebilir lityum piller için anot malzemesi olarak grafit yerine silikonun kullanılıp kullanılamayacağını incelemektir.
2012 yılında geleneksel lityum pillerden daha yüksek enerji yoğunluğuna sahip piller üretmeye başlayan şirket, Intel, Qualcomm ve Plass Semiconductor'ın stratejik yatırımı ile düşük maliyetli, yüksek hacimli üretim sistemleri geliştirmeye başlamıştır.
Geleneksel lityum pil tasarımı, Sonynin teyp üretim sürecinden kaynaklanmıştır:
-Manyetik bant, bir plastik film bant tabanına manyetik hamurun kaplanması, kurutulması, uzun şeritler halinde kesilmesi ve yuvarlanmasıyla yapılır. Kimyasal bulamaç metal folyo üzerine kaplanırsa, kurutulur ve dilimlenirse, bir elektrot haline gelebilir;
- Sonra, elektronların geçmesine izin vermezken Liu Dongyu'nun elektrotları arasında iyonlara izin vererek, iki elektrot tabakası arasına bir polimer elektrolit membranı sandviçleyin;
-Son olarak, tüm istiflenmiş yapı, silindirik pilin ana parçasını oluşturan bir suşi rulosu gibi birbirine sarılır.
Bu tasarım akıllıca, ancak bunun üzerine inşa etmek istiyorsanız Pil performansını daha da iyileştirmek çok zordur . Bu tasarım alanı boşa harcar, enerji yoğunluğunu sınırlar ve malzeme seçimi ve montajı sırasında güvenlik tehlikeleri bırakır.
Enovix pilleri bu konuda önemli iyileştirmeler yaptı: birincisi, silikon plaka üzerinde iki elektrot üretmek için silikon plaka fotolitografi kullanın; ikincisi, geleneksel lityum pil anot malzemesi 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
Birleştirilmiş geleneksel lityum pillerde, enerji depolama malzemeleri anot (negatif elektrot) ve katodu (pozitif elektrot) oluşturan parçacıklarla sınırlıdır. Normal şartlar altında, metal folyo akım toplayıcıları, elektrolitler, ambalaj malzemeleri ve kullanılmayan alan, pilin toplam hacminin% 40'ını oluşturacaktır.Böyle büyük bir atık, 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 katodunu da güvenli hale getirecektir. Genel olarak, katot materyalleri farklı çalışma sıcaklık limitlerine sahiptir.Çalışma sıcaklığı kritik sıcaklığı aştığında, katot materyali otomatik olarak ayrışır ve yanmayı destekleyen oksijeni serbest bırakır.
Bu işlem devam ederse yangın veya patlamaya neden olabilir. Öte yandan Enovix, katodu silikonla ayrılmış binlerce minik parçaya böler.Silikon, ısıyı çok hızlı ileterek termal difüzyondan kaynaklanan yangın ve patlama olasılığını azaltır.
Bir lityum pilin anodu olarak silikon kullanmak, arıza olasılığını da azaltabilir. . Genel olarak, iyonların lityum metal oksit katottan grafit anoda (mobil cihazlarda en yaygın kullanılan anot malzemesi) akışı sırasında da kazalar meydana gelebilir ve lityum iyonları, grafit kristal kafes yapısının boşluklarında bulunur.
Bununla birlikte, yüksek akım, aktif anot malzemesinin kısmi eksikliği veya aşırı düşük sıcaklık durumunda, lityum iyonları grafit yüzeyine göç edebilir. Metalik lityum, dendritlerin yapısında birikme eğilimi gösterdiğinden, pil şarjı ve deşarjı sırasında dendritler büyüyecek ve sonunda ayırıcıyı delip kısa devreye neden olacak ve bu da yangına veya patlamaya neden olabilir.
Ayrıca, geleneksel lityum pil aşırı ısındığında kararsız hale gelir ve termal olarak indüklenen arıza meydana gelebilir.
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 pilin anotu olarak silikon kullanılırsa, silikon lityumla bir Li22Si5 alaşımı oluşturabilir ve pilin teorik özgül kapasitesi 4200mAh / g'a ulaşabilir.
Bununla birlikte, silikon, grafiti değiştirdikten sonra başka bir sorun çıkaracaktır: Silikon lityumu emdikten sonra, Silikon hacmi hızla genişleyecek Orijinal hacminin 4 katına 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, Enovix pil sisteminin en önemli avantajlarından biridir ve ilk olarak Sony tarafından geliştirilen geleneksel lityum iyon pil yapısını aşar. Aynı hacim koşullarında Enovix pil kapasitesi, geleneksel lityum pillerin kapasitesinin 1,5-3 katına ulaşabilir.
Düz pil yapısı tasarımı da büyük bir marj getiriyor Geliştirilmiş güvenlik .
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. Bununla birlikte, bu düz tasarım, pilin seramiği ayırıcı olarak kullanmasına izin verir, bu da ısı direncini artırır ve arıza riskini azaltır.
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 bir akupunktur testi gerçekleştirin. Sonunda geleneksel lityum iyon pil 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 levhalar da dünyayı ilk kez değiştirmedi. Bilgisayarlar entegre devreleri kullanmaya başladığında, tüm bu teknolojinin teknolojik ilerleme üzerinde derin bir etkisi oldu.
Bu teknoloji aynı zamanda ışık yayan diyotlar, katot ışın tüpleri, lazerler ve video ekranları gibi birçok ürünü üretmek için kullanılır. Bu teknolojiyi bilgisayar çipi üretiminde kullanın Tüm lityum pil endüstrisini tamamen değiştirebilir.
