Silicij-karbonske baterije sve su češća tema u tehnološkim krugovima. Vidjeli smo da ih u svoje pametne telefone polako ugrađuju proizvođači poput Honora, Xiaomija i OnePlusa, dok Samsung i Apple s druge strane još čekaju. Prilično je izvjesno da će većina proizvođača u jednom trenutku prijeći na novi tehnologiju, no dok se to ne dogodi idemo razjasniti ključne razlike i koliko su nove Si/C baterije bolje ili lošije od i tradicionalnih Li-ionskih.
Koja je osnovna razlika između silicij-karbonskih i klasičnih litij-ionskih baterija?
Današnje silicij-karbonske (Si/C) baterije zapravo predstavljaju evoluciju tradicionalne litij-ionske tehnologije, a ne potpuno novu. Unutar baterije je modificirana konvencionalna grafitna anoda s dodatkom silicija, koji može pohraniti mnogo više energije. U teoriji se brojke kreću do čak 10 puta više od grafita. Konkretno, približno 4200 mAh/g u odnosu na 372 mAh/g kod tradicionalnih Litij-ionskih.
Međutim, anode od čistog silicija sa sobom donose i mnoge izazove. Najveći problem je ekstremno širenje, pri čemu struktura može „nabubriti“ do 300% kad je baterija napunjena na 100% kapaciteta. To dovodi do ozbiljnog mehaničkog opterećenja, skraćujući životni vijek baterije, a može uzrokovati i strukturni poremećaj. Osim toga, silicij agresivno reagira s elektrolitom, razbijajući i reformirajući međufazni sloj čvrstog elektrolita svakim ciklusom, što dovodi do gubitka litija i vremenom smanjenog kapaciteta. Silicij također ima nižu električnu vodljivost od grafita, što može usporiti stopu punjenja i povećati gubitke zbog unutarnjeg otpora, a to opet može rezultirati povećanjem topline, koja je jedan od najvećih neprijatelja životnog vijeka baterije.
Za rješavanje ovih problema umjesto čistog silicija koristi se kompozit silicij-ugljik (Si/C). Ugljik pruža strukturnu potporu, pomažući ublažiti širenje i stabilizirati SEI sloj. Dok se tradicionalne grafitne anode tijekom ciklusa punjenja šire za cca. 10%, dobro konstruirana Si/C baterija može ograničiti povećanje volumena na 10-20%. Ugljik također poboljšava električnu vodljivost, osiguravajući bolji protok litij-iona.
Koji su kompromisi nužni?
S obzirom da Si/C anode ne postižu spomenuto teoretsko povećanje kapaciteta od 10 puta isključivo u slučaju čistog silicija, moralo je doći do kompromisa. Umjesto toga, nude skromnije povećanje gustoće energije od 10-20%, ovisno o količini silicija. Više silicija daje veći kapacitet, ali također povećava volumen same baterije, kao i složenost proizvodnje. Ukratko, silicij-karbonske baterije nedvojbeno poboljšavaju performanse, ali uz druga ograničenja.
Naravno, svako povećanje autonomije pametnog telefona je dobrodošlo, što Si/C baterije definitivno postižu.
Veliko pitanje koje visi nad silicij-karbonskom tehnologijom izrade baterija je hoće li trajati jednako dugo kao tradicionalne litij-ionske. S gore navedenim kompromisima, jasno je da Si/C neće može izdržati tako dugo kao najizdržljivije Li-ion ćelije na bazi grafita koje danas poznajemo. Međutim, niže razine količine silicija još uvijek mogu rezultirati baterijama malo većeg kapaciteta koje će trajati jednako dugo kao tradicionalne litij-ionske.
Kao posljedica može se dogoditi da proizvođači pametnih telefona smanje brzine punjenja kako bi se produžio životni vijek baterija, pogotovo jer silicij-karbonska tehnologija pomiče granice gustoće energije i brzine punjenja.
Dakle silicij-karbonske baterije ne moraju nužno biti loša vijest za veće brzine punjenja i vijek trajanja baterije, ali svakako treba računati na kompromise.
Treba li žuriti s kupovinom uređaja koji dolaze sa silicij-karbonskim baterijama?
Ova tehnologija je generalno izvrsna vijest za najnovije pametne telefone i gotovo sigurno će produljiti trajanje baterije nosivih uređaja, tableta, prijenosnih računala, pa čak i električnih vozila. Međutim, veće povećanje kapaciteta baterija ne treba očekivati tako skoro, već tek kad tehnologija dovoljno sazrije.
Iz ovoga slijedi da uređaje koji dolaze sa silicij-karbonskim baterijama ne treba nužno žuriti kupovati zbog baterija samih. Iako ćete dobiti nominalno veći kapacitet, upitno je kako će se prve generacije ponašati nakon određenog vremena korištenja, odnosno koliko će im vremenom kapacitet opast. Kako tehnolgija bude sazrijevala, za očekivati je da će autonomnija uređaja rasti, a rizik od prijevremenog smanjenja kapaciteta opadati.
