تطبيقات مسحوق كربيد السيليكون الأخضر الدقيق في بطاريات الليثيوم ومواد تخزين الطاقة الجديدة

تطبيقات مسحوق كربيد السيليكون الأخضر الدقيق في بطاريات الليثيوم ومواد تخزين الطاقة الجديدة

تتميز كربيد السيليكون الأخضر بخصائص أساسية: عزل عالي النقاء، ومقاومة عالية للحرارة، ومقاومة لتآكل الإلكتروليت، وموصلية حرارية عالية، وانخفاض نسبة شوائب المعادن الثقيلة، مما يميزه بشكل واضح عن كربيد السيليكون الأسود الموصل. كربيد السيليكون الأسود موصل للكهرباء وعرضة للتسبب في دوائر قصر دقيقة في خلية البطارية؛ لذلك، لا يُستخدم في تطبيقات السلامة الأساسية لبطاريات الليثيوم إلا كربيد السيليكون الأخضر. ويشمل استخدامه ستة قطاعات رئيسية: الفواصل، ومواد الخلايا، وتغليف البطاريات، وحماية المعدات، وبطاريات الحالة الصلبة، والمواد المساعدة لتخزين الطاقة.

أولاً: الطلاء الخزفي لفواصل بطاريات الليثيوم 

تستخدم بطاريات الليثيوم عالية الطاقة وبطاريات تخزين الطاقة طويلة الدورة مادة خزفية مركبة من الألومينا وكربيد السيليكون الأخضر.

مقاومة عالية للحرارة

يتحمل درجات حرارة تصل إلى 1500 درجة مئوية على الفور. أثناء ثقب البطارية والهروب الحراري، لا ينصهر الهيكل الخارجي للطبقة الخزفية، مما يحافظ على حجم الفاصل ويمنع التلامس واسع النطاق بين الأقطاب الموجبة والسالبة، مما يقلل بشكل كبير من خطر الهروب الحراري.

ضمان العزل

يوفر كربيد السيليكون الأخضر عزلًا عاليًا، مما يمنع موصلية الجسيمات من التسبب في دوائر قصر دقيقة في الخلية؛ أما كربيد السيليكون الأسود فهو موصل، مما يجعل استخدامه محظورًا تمامًا في فواصل بطاريات الليثيوم.

مقاومة الإلكتروليت

يتميز بخموله الكيميائي الشديد، فهو لا يذوب أو يتآكل حتى بعد غمره لفترات طويلة في محاليل الكربونات الإلكتروليتية، مما يمنع تلوث الإلكتروليت وتدهور الدورة.

مقاومة التآكل والثقب

تمنع الصلابة العالية مسحوق الطلاء من السقوط بسهولة أثناء عمليات الدرفلة والتقطيع واللف، مما يمنع انسداد مسام الأقطاب الكهربائية بالمسحوق؛ كما تمنع ثقوب التشعبات الليثيومية في الفاصل.

ثانيًا: مواد التعديل المركبة لأقطاب ومصاعد خلايا البطاريات

1. تعديل طلاء الأنود الجرافيتي

يُستخدم مسحوق كربيد السيليكون النانوي الأخضر لتغطية سطح الجرافيت الطبيعي والصناعي كحشو مركب للأنود:

تعمل الجسيمات الصلبة على تخفيف تمدد الجرافيت بعد إدخال الليثيوم، مما يخفف من تفتت القطب ويزيد من عمر الدورة بأكثر من 30٪؛

 تتشكل طبقة تخميل مستقرة من نوع SEI على السطح، مما يقلل من التفاعلات الجانبية المستمرة في الإلكتروليت ويخفض استهلاك الإلكتروليت؛

تسمح الموصلية الحرارية المحسنة للأنود بتبديد الحرارة بسرعة أثناء الشحن السريع، مما يقلل من خطر ارتفاع درجة حرارة القطب الكهربائي بشكل موضعي.

2. تقوية الأنود بالسيليكون والكربون

تتميز مصاعد السيليكون والكربون بمعدل تمدد عالٍ. ويؤدي دمج كربيد السيليكون الأخضر فائق النعومة إلى توفير صلابة عالية لدعم قوي، مما يحسن متانة القطب؛ وفي الوقت نفسه، يضمن توصيلًا حراريًا منتظمًا، مما يحل مشكلة النقاط الساخنة الموضعية في المصاعد القائمة على السيليكون.

ثالثًا: وحدات تخزين الطاقة PACK: مركبات التغليف العازلة والموصلة حراريًا، والمواد اللاصقة الهيكلية، والحشوات.
تُستخدم مركبات التغليف الإيبوكسية/السيليكونية على نطاق واسع في حزم بطاريات تخزين الطاقة، ولوحات إدارة البطاريات، وقضبان التوصيل النحاسية عالية الجهد، وكتل التوصيل. يُعد كربيد السيليكون الأخضر الحشو المفضل للتوصيل الحراري والعزل، مما يحل تمامًا مشكلات الصناعة:
تحقيق التوصيل الحراري والعزل معًا.

الموصلية الحرارية 120~150 واط/م·ك، وهي أعلى بكثير من الألومينا؛ عند ملئها بالسيليكون أو الإيبوكسي، يتم تبديد حرارة الشحن والتفريغ للوحدة بسرعة؛ في الوقت نفسه، تضمن مقاومتها الحجمية العالية للغاية العزل وتمنع التسرب تحت الجهد العالي، مما يجعلها مناسبة لحزم تخزين الطاقة عالية الجهد (منصة 800 فولت).

الجرافيت وكربيد السيليكون الأسود موصلان حراريا ولكنهما موصلان كهربائيا، ويمكن أن يؤدي التغليف عالي الجهد إلى التسرب والدوائر القصيرة؛ الألومينا لها موصلية حرارية منخفضة نسبيًا.

مقاوم للإلكتروليتات والحرارة الرطبة

تتعرض بيئات تخزين الطاقة لاختلافات كبيرة في درجات الحرارة وتكون عرضة للتكثيف.

يتميز كربيد السيليكون الأخضر بمقاومته للأحماض والقلويات والتحلل المائي، مما يضمن عدم تشقق مركب التغليف أو فشله في توفير العزل على المدى الطويل في الاستخدام الخارجي.

رابعاً: طلاءات عازلة خاصة، ومقاومة للتآكل، ومقاومة للتآكل لمعدات خط إنتاج بطاريات الليثيوم

يجب أن تستخدم جميع طبقات الطلاء العلوية والطلاءات الواقية لأسطح الأسطوانات لآلات الطلاء، ومكابس الأسطوانات، وآلات التقطيع، ومعدات التشكيل، وتجهيزات اختبار تخزين الطاقة، كربيد السيليكون الأخضر؛ ولا يمكن استخدام كربيد السيليكون الأسود.

متطلبات العزل

 بالنسبة للمعدات ذات التيار الضعيف أو التحكم عالي الجهد، يجب أن يكون الطلاء عازلاً لمنع التسرب وانهيار خلية البطارية.

مقاومة التآكل والصدأ

لمنع غبار الأقطاب الكهربائية ورذاذ الإلكتروليت من تآكل المعدات، يعمل كربيد السيليكون الأخضر على زيادة صلابة طبقة الطلاء، مما يوفر مقاومة لتآكل الإلكتروليت والاحتكاك.

مقاومة عالية للحرارة

لن يتشقق الطلاء أو يتقشر حتى بعد التعرض المطول لدرجات حرارة عالية (120 ~ 180 درجة مئوية) في فرن الطلاء.

خامساً: حشوات المفاتيح لبطاريات الليثيوم الصلبة

1. مركب إلكتروليت صلب قائم على الأكسيد مع مسحوق دقيق من كربيد السيليكون الأخضر

يعمل على تحسين القوة الميكانيكية للإلكتروليت الصلب ويمنع اختراق التشعبات الليثيومية؛ ويعمل في الوقت نفسه على تحسين التوصيل الحراري، مما يحل مشكلة توليد الحرارة المركزة بسبب المقاومة الداخلية في بطاريات الحالة الصلبة؛ وهو مستقر كيميائياً ولا يخضع لتفاعلات جانبية مع الإلكتروليت الصلب.

2. راتنج مركب خزفي لتغليف الخلايا في الحالة الصلبة

راتنج مملوء بكربيد السيليكون الأخضر، مقاوم لدرجات الحرارة العالية، عازل، ومقاوم للتشوه، مناسب لعملية التلبيد ذات درجة الحرارة العالية لبطاريات الحالة الصلبة.

سادساً: مواد دعم تخزين الطاقة والمكونات الهيكلية الخزفية

1. المكونات الوظيفية الخزفية لبطاريات الليثيوم أيون (مادة التلبيد الرئيسية):
تُستخدم خزفيات كربيد السيليكون الملبدة من مسحوق كربيد السيليكون الأخضر الدقيق في تصنيع مكونات صناعة تخزين الطاقة:

شفرات سيراميكية لقطع الأقطاب الكهربائية وبكرات سيراميكية؛ مقاومة للتآكل وعازلة، ولن تخدش الأقطاب الكهربائية ولن تلوث خلايا البطارية ببقايا معدنية؛

 أفران تلبيد البطاريات وألواح التسخين؛ مقاومة لدرجات الحرارة العالية والتآكل الناتج عن جو تلبيد بطاريات الليثيوم أيون، ومناسبة لتلبيد مواد خلايا البطاريات.

2. تركيبات أنابيب مقاومة للتآكل وترشيح الإلكتروليت:
تُستخدم عناصر الترشيح والأنابيب المصنوعة من سيراميك كربيد السيليكون الأخضر، والمقاومة لتآكل الإلكتروليت، في ترشيح الإلكتروليت ونقله في خطوط أنابيب تخزين الطاقة.

سابعاً: المواد البلاستيكية العازلة والمبددة للحرارة لتخزين الطاقة وأنظمة إدارة البطاريات ومكونات الجهد العالي.
تستخدم صناديق توصيل تخزين الطاقة، وموصلات الجهد العالي، وأقواس تبديد الحرارة والعزل لترانزستورات IGBT في الغالب مواد بلاستيكية هندسية معدلة مثل PPS وPEEK وPA66، مع كربيد السيليكون الأخضر كمادة مالئة معدلة:

1. موصلية حرارية عالية لتبديد الحرارة، مما يحل مشكلة توليد الحرارة في أجهزة تخزين الطاقة؛

2. عزل كامل، يمنع التوصيل والتسرب عالي الجهد؛

3. مقاوم للإلكتروليتات والتقادم في درجات الحرارة العالية/المنخفضة، ومناسب للاستخدام طويل الأمد في تخزين الطاقة في الهواء الطلق.