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Charge, discharge, repeat: after 1,000 cycles, Fraunhofer ISE's silicon-rich pouch cells still held over 83% of their original capacity. The institute reports the result from 25 Ah cells built in its cleanroom in Freiburg, Germany, on a semi-automatic production line using commercially available electrode foils.
Charge, décharge, répétition : après 1 000 cycles, les cellules pouch riches en silicium de Fraunhofer ISE conservaient encore plus de 83 % de leur capacité d'origine. L'institut rapporte ce résultat obtenu sur des cellules de 25 Ah fabriquées dans sa salle blanche de Fribourg-en-Brisgau, en Allemagne, sur une ligne de production semi-automatique utilisant des feuilles d'électrode disponibles dans le commerce.
The cells pair a silicon-carbon and graphite anode with a nickel-rich nickel-manganese-cobalt (NMC) cathode. The silicon-carbon composite makes up 51% of the anode's active material. The anodes reached more than 1,000 mAh/g, a measure of how much charge the material holds per gram. Cycle life is the hurdle that has kept silicon out of mass production, and Lukas Dold, team leader for battery materials technology and scaling at Fraunhofer ISE, said that more than 1,000 cycles with at least 80% retention is considered an important performance target.
Ces cellules associent une anode silicium-carbone et graphite à une cathode NMC (nickel-manganèse-cobalt) riche en nickel. Le composite silicium-carbone représente 51 % de la matière active de l'anode. Les anodes ont atteint plus de 1 000 mAh/g, une mesure de la quantité de charge que le matériau peut stocker par gramme. La durée de vie en cycles est l'obstacle qui a empêché le silicium d'entrer en production de masse. Lukas Dold, responsable d'équipe pour la technologie des matériaux de batterie et leur industrialisation chez Fraunhofer ISE, estime que plus de 1 000 cycles avec une rétention d'au moins 80 % sont considérés comme un objectif de performance important.
The cells reached 280 Wh/kg at cell level, a figure measured in the institute's non-optimized PrecISE research format. Dold said an industrially optimized pouch format is expected to reach about 330 Wh/kg. That is an expectation, not a measurement, and the institute gives no date for it.
Les cellules ont atteint 280 Wh/kg au niveau de la cellule, un chiffre mesuré dans le format de recherche non optimisé PrecISE de l'institut. Dold indique qu'un format pouch optimisé industriellement devrait atteindre environ 330 Wh/kg. Il s'agit d'une attente, non d'une mesure, et l'institut ne donne aucune date pour cela.
Pressure turned out to matter. The cells were cycled at two axial contact pressures, 300 kPa and 1,000 kPa, and the 83% figure applies only to the 1,000 kPa cells. At 300 kPa, Marc Kissling, group leader for battery cell production and technology evaluation, said usable capacity fell significantly faster, especially during 1C operation, meaning charging or discharging the full capacity in one hour. Fraunhofer ISE did not publish a retention figure for those cells. It also found that, as the cells aged, capacity measured at low discharge rates drifted away from the capacity available during regular 1C cycling, which is why the institute says real operating conditions must be weighed alongside retention.
La pression s'est révélée déterminante. Les cellules ont été cyclées à deux pressions de contact axiales, 300 kPa et 1 000 kPa, et le chiffre de 83 % ne s'applique qu'aux cellules à 1 000 kPa. À 300 kPa, Marc Kissling, responsable de groupe pour la production de cellules de batterie et l'évaluation technologique, indique que la capacité utilisable a diminué nettement plus vite, en particulier lors du fonctionnement en 1C, c'est-à-dire la charge ou la décharge de la capacité complète en une heure. Fraunhofer ISE n'a pas publié de chiffre de rétention pour ces cellules. Il a aussi constaté qu'avec le vieillissement, la capacité mesurée à faible régime de décharge s'écartait de la capacité disponible lors des cycles 1C habituels, raison pour laquelle l'institut estime que les conditions réelles d'utilisation doivent être prises en compte en plus de la rétention.
For carmakers, grid operators and aerospace firms, the promise is a battery that stores more energy in the same mass. The partners name stationary storage of surplus solar and wind power as a target, alongside electric mobility and aerospace. The StrOboBatt project, led by PCC Thorion with Fraunhofer ISE, Glatt Ingenieurtechnik, LG Chem Europe, E-Lyte Innovations and UniverCell Holding, is scheduled to run for three years and received €2.6 million in federal funding. Fraunhofer ISE also argues that silicon-carbon composites could reduce global dependence on graphite and move part of the raw-material value chain toward the European Union. Those benefits depend on the 330 Wh/kg industrial format arriving, and on the cells holding up outside a cleanroom, which the institute has not yet shown.
Pour les constructeurs automobiles, les opérateurs de réseau et les entreprises aérospatiales, la promesse est celle d'une batterie qui stocke davantage d'énergie pour une même masse. Les partenaires citent le stockage stationnaire de surplus d'énergie solaire et éolienne comme cible, aux côtés de la mobilité électrique et de l'aérospatiale. Le projet StrOboBatt, dirigé par PCC Thorion avec Fraunhofer ISE, Glatt Ingenieurtechnik, LG Chem Europe, E-Lyte Innovations et UniverCell Holding, doit durer trois ans et a reçu 2,6 millions d'euros de financement fédéral. Fraunhofer ISE affirme aussi que les composites silicium-carbone pourraient réduire la dépendance mondiale au graphite et déplacer une partie de la chaîne de valeur des matières premières vers l'Union européenne. Ces bénéfices dépendent de l'arrivée du format industriel à 330 Wh/kg et de la tenue des cellules hors d'une salle blanche, ce que l'institut n'a pas encore démontré.