為了創(chuàng)造更加可持續(xù)的未來,,汽車制造商們正努力引進新型的電動汽車(EV)。這些電動汽車的問世會使對于能源的需求發(fā)生重大改變,,我們需要更強大的快速充電網(wǎng)絡(luò),,而硅(Si)陽極電池有可能是實現(xiàn)這一點的關(guān)鍵技術(shù)。Coretec集團(The Coretec Group)的首席執(zhí)行官(CEO)Michael Kraft接受了《Power Electronics News》的采訪,,我們重點討論了這些新方案的特性,,并分析了有哪些材料可以促進電動汽車的發(fā)展。 Coretec集團致力于為多個有前景的市場研發(fā)并商業(yè)化新技術(shù),,例如儲能,,太陽能,固態(tài)照明,,可打印電子產(chǎn)品和3D顯示器,。
Kraft說:“我們的研究重心是各種應(yīng)用于下一代技術(shù)的先進材料,,以應(yīng)對各種全球的挑戰(zhàn)性領(lǐng)域,例如半導(dǎo)體,,太陽能電池板,,LED和用于大功率和快速充電的下一代硅陽極電池。我們一直在尋找用于實現(xiàn)這些下一代技術(shù)的材料,,以及可以與之合作或可以收購的企業(yè),。目前,我們的投資重點是環(huán)己硅烷(CHS)的商業(yè)化,?!?/p>
Kraft指出,Coretec 集團的產(chǎn)品系列主打硅產(chǎn)物的生產(chǎn),,首先是環(huán)六硅烷(Si6H12),,這是一種液體,,當(dāng)暴露于熱或紫外線時會轉(zhuǎn)變?yōu)榧児?,暴露初期形成非晶硅,然后隨著暴露量的增加,,轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶硅,。
CHS是一種純物質(zhì),是能量存儲先進應(yīng)用中的關(guān)鍵,。通過與Evonik的合作,,Coretec集團為客戶提供了CHS樣品進行評估;Evonik可以提供大量生產(chǎn)所需的材料,。 CHS的純度可以被改變,,來滿足特殊的市場應(yīng)用需求,并且CHS的定價與其純度有關(guān),。 Kraft說:“ Coretec的環(huán)己硅烷非常適合那些對硅和/或摻雜硅(C,,Ge,B,,Co和P)的純度,、安全性、快速沉積速率和低溫沉積有著高要求的應(yīng)用,?!?img src="http://img.chinaaet.com/images/2021/05/08/6375609911792573089808071.jpg" title="3a1a1e2ae28e20b8e3b1e0766694672c.jpg" alt="3a1a1e2ae28e20b8e3b1e0766694672c.jpg" width="600" height="314"/>
圖1: 環(huán)己硅烷的轉(zhuǎn)化
環(huán)己硅烷(CHS)在電動汽車中的重大用途
電動汽車(EV)是替代普通汽油車輛的一種更環(huán)保的選擇,但電動汽車還缺一項關(guān)鍵的功能:便捷性,。電動汽車的基礎(chǔ)設(shè)施和電池容量都無法與當(dāng)今的汽車相提并論,。加油站隨處可見,但電動汽車的充電站卻尚未普及,,這意味著駕駛員須在出行前制定詳細的充電計劃,。電動汽車需要搭載快速充電功能和支持長距離駕駛的電池,,這些高效的基礎(chǔ)設(shè)施將有助于電動汽車的成功。
許多制造商正在尋找新的解決方案(材料),,用來克服鋰離子(Li-ion)電池中石墨陽極的局限性,。新型硅陽極電池技術(shù)可以為電池快速充電,有望在5至10分鐘內(nèi)充至其容量的80%以上,,還不會損壞電池外形,,同時還能將能量密度提升2至3倍。
即將面世的2.0代鋰離子電池將采用新材料,,用來增加能量密度并解決電池膨脹問題,。Kraft指出,有很多企業(yè)正在與材料工程師合作,,將納米技術(shù)加入到制造過程中,,例如加入諸如CHS之類的Si前體。
Kraft講解到,,CHS能提供比傳統(tǒng)前體更快的器件制造速度,,更重要的是,它還可以生成非晶納米結(jié)構(gòu),,這意味著電池可以實現(xiàn)快速充電,,同時避免膨脹。這種材料還可以使電池能夠承受許多次的充電和放電循環(huán),,這也是電動汽車的一個重要考量,。
Kraft說:“ 通過用硅碳納米結(jié)構(gòu)和合金代替鋰離子電池中常用的石墨陽極,Coretec環(huán)六硅烷也許能夠提高能量密度,。這些材料存儲了更多的鋰離子,,在降低電池損耗的同時提高了能量密度?!?/p>
CHS是一種液態(tài)硅前體,,應(yīng)用在鋰離子電池的陽極。它的液態(tài)特性為加工低成本碳硅納米結(jié)構(gòu)提供了優(yōu)勢,,使其能夠直接替代高能鋰離子中的石墨,。這種電池的一個主要優(yōu)勢是擁有更高的充電/放電壽命周期和更高的能量密度。
Kraft指出,,特斯拉表示他們正朝著硅陽極方案邁進,,這代表了電動汽車電池的一個重要里程碑。消費者需要一種能夠更快充電,,行駛得更遠,,使用壽命更長的電池,而當(dāng)今的材料還不足以應(yīng)對這一挑戰(zhàn),。
SiC制造的新功能
電力電子學(xué)在寬禁帶材料需求方面正以驚人的速度發(fā)展,。滿足設(shè)計參數(shù)的碳化硅(SiC)可以有效地增強電動汽車的動力,,并有助于提升電動汽車的系統(tǒng)性能和長期可靠性。
SiC器件越來越多地用于對尺寸,、重量和效率有著嚴格要求的高壓功率轉(zhuǎn)換器中,,與常用的Si器件相比,SiC器件具有許多更有吸引力的特性,。SiC器件的導(dǎo)通電阻和開關(guān)損耗要低得多,,并且SiC的導(dǎo)熱系數(shù)要比Si高3倍左右,因此可以更快地散熱,。這一點非常重要,,因為當(dāng)硅基器件的面積變小時,電轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的熱量變得更加難以散出,,而SiC的散熱效果更好,。
SiC晶片與傳統(tǒng)的Si晶片相比復(fù)雜得多,并且由于市場需求量大,,在SiC大規(guī)模商業(yè)化并完全替代傳統(tǒng)形式的Si之前,,還有許多障礙問題需要克服。CHS這種硅前體可以在這一點上提供幫助,。
高性能的SiC器件一直以來都受到以下限制:無法在低缺陷密度的半導(dǎo)體晶圓上生長SiC膜,,以及如果采用將SiC層粘附到基底上會遇到的其他困難:常見的例子有α-SiC(例如,,4H-SiC,,6H- SiC)和β-SiC(3C-SiC)。
β-SiC作為電力電子器件的替代材料,,它的廣泛采用還存在一些挑戰(zhàn),。其中特別需要注意的一項挑戰(zhàn)是對于硅前體的需求,采用的硅前體無論從經(jīng)濟角度還是化學(xué)角度上,,都要能夠幫助SiC器件研發(fā)出先進的薄膜和結(jié)構(gòu),。
在常規(guī)條件下,CHS可以在多種基底上形成β-SiC薄膜,。另外,,CHS可以幫助β-SiC膜簡單地進行p型摻雜。這種前體可以簡化從運輸?shù)酱鎯σ约肮璩练e的過程,,從而有助于電力電子技術(shù)的發(fā)展,。Kraft指出,CHS有望以一種高性價比的方式克服SiC半導(dǎo)體生產(chǎn)中的傳統(tǒng)限制,。
電動汽車的自主性直接反映了其動力系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)的效率,。除了必要的基礎(chǔ)設(shè)施(例如隨處可用的快速充電系統(tǒng))之外,電動汽車還必須搭載優(yōu)化了的SiC電力電子設(shè)備,,以及具有更高能量密度和更短充電時間的Si基陽極電池,。電動汽車進行了這些改進后,,不僅會被大規(guī)模地采用,取代當(dāng)今的汽油車輛,,并且還將創(chuàng)造出世界所需的可持續(xù)電動汽車,。