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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.
Carica, scarica, ripeti: dopo 1.000 cicli, le celle a sacchetto ricche di silicio di Fraunhofer ISE conservavano ancora oltre l'83% della capacità originaria. L'istituto riferisce il risultato di celle da 25 Ah realizzate nella sua camera bianca di Friburgo, in Germania, su una linea di produzione semiautomatica con fogli di elettrodi disponibili in commercio.
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.
Le celle abbinano un anodo silicio-carbonio e grafite a un catodo NMC (nichel-manganese-cobalto) ricco di nichel. Il composito silicio-carbonio rappresenta il 51% del materiale attivo dell'anodo. Gli anodi hanno raggiunto più di 1.000 mAh/g, una misura di quanta carica il materiale trattiene per grammo. La durata nei cicli è l'ostacolo che ha tenuto il silicio fuori dalla produzione di massa e Lukas Dold, responsabile del team per la tecnologia dei materiali per batterie e la loro scalabilità presso Fraunhofer ISE, ha affermato che più di 1.000 cicli con una ritenzione di almeno l'80% sono considerati un importante obiettivo di prestazione.
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.
Le celle hanno raggiunto 280 Wh/kg a livello di cella, un valore misurato nel formato di ricerca PrecISE non ottimizzato dell'istituto. Dold ha detto che un formato a sacchetto ottimizzato per l'industria dovrebbe raggiungere circa 330 Wh/kg. Si tratta di una previsione, non di una misura, e l'istituto non indica una data.
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 pressione si è rivelata determinante. Le celle sono state sottoposte a cicli a due pressioni di contatto assiali, 300 kPa e 1.000 kPa, e il dato dell'83% vale solo per le celle a 1.000 kPa. A 300 kPa, Marc Kissling, responsabile del gruppo per la produzione di celle e la valutazione tecnologica, ha affermato che la capacità utilizzabile è calata sensibilmente più in fretta, soprattutto durante il funzionamento a 1C, cioè la carica o la scarica dell'intera capacità in un'ora. Fraunhofer ISE non ha pubblicato un dato di ritenzione per queste celle. Ha inoltre rilevato che, con l'invecchiamento delle celle, la capacità misurata a basse velocità di scarica si discostava da quella disponibile durante i normali cicli a 1C, ed è per questo che l'istituto sostiene che le reali condizioni operative vadano valutate insieme alla ritenzione.
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.
Per i costruttori di auto, gli operatori della rete elettrica e le aziende aerospaziali, la promessa è una batteria che immagazzina più energia a parità di massa. I partner indicano come obiettivo l'accumulo stazionario del surplus di energia solare ed eolica, oltre alla mobilità elettrica e all'aerospazio. Il progetto StrOboBatt, guidato da PCC Thorion con Fraunhofer ISE, Glatt Ingenieurtechnik, LG Chem Europe, E-Lyte Innovations e UniverCell Holding, è previsto per una durata di tre anni e ha ricevuto 2,6 milioni di euro di finanziamenti federali. Fraunhofer ISE sostiene inoltre che i compositi silicio-carbonio potrebbero ridurre la dipendenza mondiale dalla grafite e spostare parte della catena del valore delle materie prime verso l'Unione europea. Questi vantaggi dipendono dall'arrivo del formato industriale a 330 Wh/kg e dalla tenuta delle celle al di fuori di una camera bianca, circostanza che l'istituto non ha ancora dimostrato.