Кремнийсодержащие аноды Fraunhofer ISE сохранили более 83% ёмкости после 1000 циклов — при высоком давлении

Немецкий институт солнечных энергетических систем Fraunhofer ISE сообщил об испытаниях литий-ионных аккумуляторных ячеек с анодами, богатыми кремнием. После более чем 1000 циклов заряда и разряда ячейки сохраняли свыше 83% первоначальной ёмкости. Удельная энергия на уровне ячейки составляла 280 Вт·ч/кг. Ключевое условие этого результата — высокое осевое контактное давление, под которым работали элементы.

Ячейки ёмкостью 25 А·ч изготовили на полуавтоматической производственной линии в чистой комнате Центра электрического хранения энергии Fraunhofer ISE во Фрайбурге. Для производства использовали коммерчески доступные электродные фольги. Конструкция включает 40 слоёв, кремниево-углеродно-графитовый анод и катод на основе оксидного материала никель — марганец — кобальт (NMC).

Доля кремнийсодержащего композита в активном материале анода достигала 51%. Удельная ёмкость анодного материала превышала 1000 мА·ч/г, а площадная ёмкость — 5 мА·ч/см². Эти показатели важны для практического применения: высокая удельная ёмкость кремния сама по себе ещё не гарантирует высокой плотности энергии готовой ячейки и длительного срока её службы.

«Срок службы при циклировании — одно из ключевых препятствий для широкого промышленного применения анодов, богатых кремнием», — отметил Лукас Долд, руководитель группы технологий аккумуляторных материалов и масштабирования Fraunhofer ISE. По его словам, сохранение не менее 80% первоначальной ёмкости после 1000 циклов считается важным целевым показателем для таких материалов.

Достигнутая удельная энергия 280 Вт·ч/кг относится к исследовательским ячейкам формата PrecISE, конструкция которых ещё не была оптимизирована для промышленного производства. Долд ожидает, что после оптимизации формата пакетной ячейки показатель может достигнуть примерно 330 Вт·ч/кг. Это прогнозируемый результат дальнейшей разработки, а не уже продемонстрированная характеристика серийного изделия.

Почему давление имеет значение

Исследователи проверили работу ячеек при температуре 1°C и двух значениях осевого контактного давления: 300 и 1000 кПа. Сохранение более 83% первоначальной ёмкости было зафиксировано при давлении 1000 кПа. При 300 кПа полезная ёмкость снижалась значительно быстрее, особенно во время циклирования с током, соответствующим режиму 1C.

«Механическое давление на ячейку — важный параметр для стабильной работы пакетных элементов с высоким содержанием кремния», — пояснил Марк Кисслинг, руководитель группы производства аккумуляторных ячеек и оценки технологий Fraunhofer ISE.

Институт не опубликовал точные значения сохранения ёмкости для ячеек, работавших при давлении 300 кПа. Поэтому напрямую сравнить ресурс двух вариантов по итоговому проценту деградации пока нельзя. При этом сами результаты показывают, что стабильность кремнийсодержащего анода зависит не только от химического состава и конструкции электродов, но и от механических условий эксплуатации.

Есть и другая особенность: по мере старения ячеек всё сильнее расходились значения остаточной ёмкости, полученные при периодических проверках на низких скоростях разряда, и ёмкости, доступной при обычном циклировании в режиме 1C. Иными словами, результат лабораторного измерения не обязательно отражает количество энергии, которое аккумулятор сможет отдавать в рабочем режиме. Поэтому для оценки таких элементов важно учитывать не только сохранение ёмкости, но и их характеристики под нагрузкой.

От лабораторных ячеек к промышленному производству

Теоретическая удельная ёмкость кремния примерно в десять раз выше, чем у графита, который широко используется в современных литий-ионных аккумуляторах. Однако кремний значительно изменяет объём при литировании и делитировании, что усложняет обеспечение длительного срока службы. Кремниево-углеродные композиты призваны использовать высокую ёмкость кремния, одновременно повышая стабильность анода.

Работа выполняется в рамках проекта StrOboBatt, направленного на разработку структурно и поверхностно оптимизированных кремниевых анодов и высокоэнергетических катодов. Координирует проект компания PCC Thorion, среди участников — Fraunhofer ISE, Glatt Ingenieurtechnik, LG Chem Europe, E-Lyte Innovations и UniverCell Holding. В 2024 году проект получил федеральное финансирование в размере 2,6 млн евро; срок реализации заявлен с июня 2024-го по май 2027 года. Одно из направлений применения разрабатываемых технологий — стационарные накопители для хранения избыточной энергии солнечных и ветровых электростанций.

Другие разработчики кремниево-углеродных анодов также приближаются к промышленному масштабу. В июле 2026 года Австралийское агентство по возобновляемой энергетике (ARENA) объявило о финансировании компании Sicona на сумму до 45 млн австралийских долларов для создания демонстрационного производства в районе сталелитейного комплекса BlueScope Steel в Порт-Кембла, штат Новый Южный Уэльс. По оценке агентства, материал Sicona способен увеличить плотность энергии литий-ионных аккумуляторов до 20% и обеспечить зарядку до 40% быстрее по сравнению с традиционными графитовыми анодами. Эти показатели относятся к заявленным возможностям материала, а не к гарантированным результатам для любой готовой аккумуляторной системы.

Результат Fraunhofer ISE — важный шаг в проверке ресурса ячеек с высоким содержанием кремния, но пока не доказательство готовности технологии к массовому внедрению. Давление 1000 кПа соответствует механической нагрузке, которую необходимо учитывать при проектировании аккумуляторного блока, а сохранение ёмкости в реальных условиях зависит также от температурного режима, скорости заряда и разряда и конструкции системы.

Станет ли высокий уровень сохранения ёмкости при 1000 циклах достаточным аргументом в пользу кремниевых анодов — или необходимость поддерживать значительное механическое давление и обеспечивать стабильную работу под нагрузкой пока перевешивает преимущества высокой удельной энергии?