חומרי סיליקון אורגניים: "השומרים הבלתי נראים" של תעשיות האנרגיה ואחסון האנרגיה החדשות.
סיליקון אורגני צנוע מעורר מהפכת חומרים בתחום האנרגיה החדש!
בתעשיית האנרגיה החדשה המשגשגת של ימינו, בעוד אנו מתמקדים בצפיפות האנרגיה של הסוללה וביעילות המרה פוטו-וולטאית, סוג של "חומר בלתי נראה" שומר בשקט על הבטיחות והיציבות של מערכות אנרגיה חדשות-חומרי סיליקון אורגניים. ממעטפת פוטו-וולטאית ועד לניהול תרמי של סוללה, מתוספי אלקטרוליטים ועד להגנה על חוצץ, אורגנוזיליקון, עם המבנה והמאפיינים המולקולריים הייחודיים שלו, הפך לחומר מפתח הכרחי בתחום האנרגיה החדש.
"המלאך השומר" של התעשייה הפוטו-וולטאית: חומרי אנקפסולציה אורגנוסיליקון
בתחום הפוטו-וולטאי, מודולים חשופים לחוץ לתקופות ממושכות, מתמודדים עם אתגרים מרובים כולל קרינה אולטרה סגולה, שינויים בטמפרטורה וקורוזיה לחות. צוות הכימיה של אנרגיה פולימרית באוניברסיטת גנאן רגילה פיתח לאחרונה חומר עטיפה אורגני סיליקון אלסטומר בעל ביצועים גבוהים{{1}. זה לא רק מניע חדשנות בטכנולוגיית עטיפה של תאים פוטו-וולטאיים אלא גם פותר ביעילות אתגרים מרכזיים הקשורים לעיכוב בעירה, ידידותיות לסביבה ועמידות בפני שחיקה.
הערך של חומר המעטפת הזה טמון לא רק בהגנה שלו אלא גם ביכולת שלו לשפר את יעילות ייצור החשמל. חוקרים מאוניברסיטת סצ'ואן פיתחו ציפוי-חלקלק במיוחד,-לניקוי עצמי המבוסס על שרף סיליקון ושמן סיליקון מתיל, שניתן למרוח על פני השטח של לוחות פוטו-וולטאיים. ציפוי זה הוא לא רק הידרופובי (עם זווית סטטית של מגע מים של עד 109 מעלות), אלא גם בעל שידור אופטי מעולה, שיכול לשפר את היעילות הראשונית של תאים סולאריים ב-0.18%. באופן מפתיע אף יותר, ביצועי הציפוי נותרים ללא שינוי, גם לאחר 100 מחזורי ליטוש עם נייר זכוכית 400 גריט.
"חומת אש" לבטיחות סוללה: חומרי ניהול והגנה תרמית אורגנוסיליקון
בריחת סוללה תרמית היא האתגר הבטיחותי הגדול ביותר העומד בפני רכבי אנרגיה חדשים ותחנות כוח לאגירת אנרגיה. כאשר סוללה בודדת חווה בריחה תרמית, מניעת התפשטות החום ועצירת התפשטות האש הופכת לאתגר טכנולוגי מרכזי.
פרויקט "מחקר ופיתוח של מוליכות תרמית גבוהה וחומרי סיליקון רב-תכליתיים של בידוד חזק" שהושק לאחרונה על ידי אוניברסיטת ווהאן לטכנולוגיה השקיע 10.94 מיליון יואן כדי להתגבר על טכנולוגיות הליבה של חומרי ניהול תרמיים. חומר זה יעמוד בו זמנית בדרישות הכפולות של מוליכות תרמית גבוהה ובידוד חזק, ויספק פתרון לפיזור חום מסוללות חשמל ומניעת קצרים.
ה"חיץ" של מודול הסוללה: השגת קל משקל ובטיחות כאחד
במודולי סוללה, יש צורך במשטח חיץ בין תא הסוללה ללוחית הקצה של המודול כדי לבצע פונקציות מרובות כגון חציצה מכנית, סיוע בניהול תרמי והגנה על בידוד חשמלי. הייצור של רפידות חוצץ פוליאוריטן אינו נפרד מ"השליטה המדויקת" של שמן סיליקון מיוחד.
שמן סיליקון מיוחד פועל כ"ווסת תאים" וכ"מייצב ממשק" בתהליך הקצפת הפוליאוריתן. על ידי שליטה מדויקת במתח הממשק הנוזל של-הגז, הוא מאפשר למאות מיליוני בועות בגודל -ליצור גרעין ולגדול בצורה אחידה ומסודרת, ולהגדיל את קצב התא הסגור ליותר מ-92%. ניסויים מראים כי לאחר הוספת שמן סיליקון מיוחד, קוטר הנקבוביות הממוצע ירד מ-450 מיקרומטר ל-280 מיקרומטר, וסטיית התקן של התפלגות גודל הנקבוביות הופחתה ב-40%.
שליטה מדויקת זו לא רק מובילה לאופטימיזציה מבנית אלא גם לשיפור ביצועים. ערכת הדחיסה של כרית החיץ המכילה שמן סיליקון מיוחד ירדה מ-18.7% ל-9.3% לאחר 1000 שעות ב-85 מעלות, בעוד שטמפרטורת התחלת הפירוק התרמי עלתה מ-275 מעלות ל-298 מעלות. חשוב מכך, בבדיקת תאימות אלקטרוליטים, קצב שינוי המסה של כרית החיץ ששונתה בשמן סיליקון מיוחד היה רק -0.03%, בעוד חומרים רגילים הפגינו אבקה וסדקים של פני השטח.
"מייצב" לסוללות-מתח גבוה: תוספי אלקטרוליטים אורגנוסיליקון
כאשר סוללות ליתיום-יונים נעות לעבר מתחים גבוהים יותר, אלקטרוליטים מסורתיים נוטים להתפרק תחת מתח גבוה, ומשפיעים על ביצועי הסוללה. חוקרים מאוניברסיטת הוביי גילו ששימוש ב-bis(trimethylsiloxymethylsilane) (HTMS) כתוסף- במתח גבוה יכול לפתור בעיה זו ביעילות.
קשרי החמצן-סיליקון (Si-O) ב-HTMS יכולים להיקשר למוצרים חומציים באלקטרוליט, ולהאט את הקורוזיה שלהם בחומר הקתודה. במקביל, בשילוב עם פלואוראתילן קרבונט (FEC), נוצרת בין האלקטרודה והאלקטרוליט שכבת ממשק עם התנגדות- נמוכה המכילה ליתיום פלואוריד ותרכובות אורגנוסיליקון. סוללות Li/LNMO המשתמשות בטכנולוגיה זו שומרות על קיבולת גבוהה של 120.78 mAh/g לאחר 100 מחזורים ב-1C תחת מתח גבוה של 5V. אפילו יותר מרשים, בטמפרטורה נמוכה של -20 מעלות, הסוללה עדיין שומרת על קיבולת ספציפית של 103.96 mAh/g לאחר 200 מחזורים ב-1C, תוך ביצועים גבוהים יותר מהאלקטרוליטים המסורתיים.
תחזית עתידית: הפוטנציאל הבלתי מוגבל של אורגני סיליקון בשדה האנרגיה החדש
מאריזה פוטו-וולטאית ועד לניהול תרמי של סוללה, מתוספי אלקטרוליטים ועד הגנה על חוצץ, חומרי סיליקון אורגנו הופכים לחומר מפתח חיוני בתעשיית האנרגיה החדשה בשל עמידותם המצוינת בטמפרטורות גבוהות ונמוכות, בידוד חשמלי, יציבות כימית ויכולת עיצוב.
בעתיד, עם המשך הפיתוח של רכבי אנרגיה חדשים, תחנות כוח לאגירת אנרגיה, ייצור חשמל פוטו וולטאי ותחומים אחרים, הדרישות לביצועי החומר יהפכו מחמירות יותר. מוליכות תרמית גבוהה, בידוד חזק, עמידות במתח גבוה ועמידות בטמפרטורה גבוהה יהפכו לכיווני פיתוח חשובים לחומרי סיליקון אורגניים. כפי שהוכח על ידי הפרויקט באוניברסיטת ווהאן לטכנולוגיה, באמצעות עיצוב מולקולרי מדויק ואופטימיזציה של ניסוחים, חומרי סיליקון אורגנו צפויים להשיג פריצות דרך תיעוש תוך 1-2 שנים, לספק חומרים אמינים ובעלות נמוכה בייצור מקומי לתעשיית האנרגיה החדשה של ארצי.
במהפכת האנרגיה החדשה הזו, חומרי סיליקון אורגניים אולי אינם הגיבורים המסנוורים ביותר, אבל הם "הגיבורים הבלתי נראים" השומרים בשקט על הבטיחות והיציבות של המערכת. עם התקדמות מתמשכת של מדעי החומרים, "השומר הבלתי נראה" הזה ימלא תפקיד חשוב יותר ויותר בתחום האנרגיה החדשה.
