[SMM Analysis] The Severe Volume Effect of Silicon During Lithiation Is the Biggest Limitation for the Commercialization of Silicon-Based Materials

게시됨: Dec 27, 2024 13:07
[SMM Analysis: The Severe Volume Effect of Silicon During Lithiation Is the Biggest Limitation for the Commercialization of Silicon-Based Materials] SMM, December 27: During complete lithiation, the volume of silicon expands by more than 300%, and this significant volume change brings a series of problems...

SMM, December 27:

When silicon is fully lithiated, its volume expands by more than 300%, and this significant volume change brings a series of issues. 1) The volume effect causes high internal stress in the battery, which can easily compress the pole piece, leading to cracks and even pulverization of the silicon anode material. 2) The volume expansion effect makes the electrode material prone to losing contact with the current collector, causing the active material to detach from the pole piece, resulting in rapid capacity decay of the battery. 3) The volume expansion effect tends to form an unstable solid electrolyte interphase (SEI) film. Due to the volume change of silicon, the SEI film breaks, exposing new silicon surfaces that generate new SEI films, continuously consuming lithium ions in the electrolyte. This leads to irreversible capacity loss and low initial charge efficiency. Additionally, the SEI thickness increases with electrochemical cycling, and an excessively thick SEI layer hinders electron transfer and Li+ ion diffusion, increasing impedance.

Furthermore, as the silicon content increases, the initial Coulombic efficiency decreases. The initial irreversible cycle loss of silicon materials can reach up to 30% (compared to 5-10% for graphite). Side reactions between the electrolyte solvent and lithium chemicals form a solid electrolyte interphase (SEI) film on the anode of the lithium-ion battery, consuming lithium. Volume changes prevent the SEI from stably forming on the Si electrode surface, causing repeated SEI breakage and consuming a large amount of Li+ ions. Meanwhile, the SEI thickness increases with electrochemical cycling, and an excessively thick SEI layer hinders electron transfer and Li+ ion diffusion, increasing impedance and polarization.

Solutions to the issues of silicon-based anodes:

(1) Nanostructuring

(2) Coating

Reducing particle size increases surface energy, and the surface energy of nanoparticles rises, weakening stability and causing the electrolyte to preferentially decompose (reduction/oxidation) with the nanoparticles.

(3) Compromise solution -- Silicon monoxide anode

(Image source: Internet)


SMM New Energy Research Team

Cong Wang 021-51666838

Xiaodan Yu 021-20707870

Rui Ma 021-51595780

Ying Xu 021-51666707

Disheng Feng 021-51666714

Yujun Liu 021-20707895

Yanlin Lü 021-20707875

Zhicheng Zhou 021-51666711

Haohan Zhang 021-51666752

Zihan Wang 021-51666914

Xiaoxuan Ren 021-20707866

Yushuo Liang 021-20707892

Jie Wang 021-51595902

Yang Xu 021-51666760

Mengqi Xu 021-20707868

데이터 출처 설명: 공개 정보를 제외한 모든 데이터는 SMM이 공개 정보, 시장 커뮤니케이션 및 SMM 내부 데이터베이스 모델을 기반으로 가공한 것입니다. 본 자료는 참고용이며 의사결정 권고를 구성하지 않습니다.

문의 사항이 있거나 자세한 정보를 원하시면 아래로 연락해 주시기 바랍니다: lemonzhao@smm.cn
리서치 보고서 열람 방법에 대한 자세한 내용은 아래로 문의하시기 바랍니다:service.en@smm.cn
관련 뉴스
CATL 회장: 중국 상반기 신에너지차 판매 740만 대 돌파, 배터리 생산 정밀성 강조
11분 전
CATL 회장: 중국 상반기 신에너지차 판매 740만 대 돌파, 배터리 생산 정밀성 강조
더 보기
CATL 회장: 중국 상반기 신에너지차 판매 740만 대 돌파, 배터리 생산 정밀성 강조
CATL 회장: 중국 상반기 신에너지차 판매 740만 대 돌파, 배터리 생산 정밀성 강조
CATL 쩡위췬 회장은 2026 세계 동력 배터리 컨퍼런스 영상 축사에서 올해 상반기 중국 신에너지차 판매가 740만 대를 넘어섰고, 신차 출시가 600종 이상으로 하루 평균 3대에 육박한다고 밝혔다. 모두가 속도, 사양, 가격으로 경쟁하며 개발 주기는 점점 짧아지고 있다. 그는 동력 배터리는 극도로 높은 정밀도가 요구되고 오차 허용 범위가 매우 낮다고 지적했다. 양산 과정에서는 모든 작은 문제가 여러 배로 확대되므로 설계 단계부터 모든 공정과 모든 파라미터를 엄격히 통제하고, 이상 징후를 사전에 식별하며, 품질 문제에 대해 무관용 원칙을 적용해야 한다고 강조했다.
11분 전
Lithium Carbonate Market Weekly Review: 8.31-9.3 spot lithium carbonate prices rose first then fell, overall downward trend [SMM Weekly Review]
48분 전
Lithium Carbonate Market Weekly Review: 8.31-9.3 spot lithium carbonate prices rose first then fell, overall downward trend [SMM Weekly Review]
더 보기
Lithium Carbonate Market Weekly Review: 8.31-9.3 spot lithium carbonate prices rose first then fell, overall downward trend [SMM Weekly Review]
Lithium Carbonate Market Weekly Review: 8.31-9.3 spot lithium carbonate prices rose first then fell, overall downward trend [SMM Weekly Review]
48분 전
SMM 일일 리뷰: 9월 3일 탄산리튬 현물 가격 소폭 하락
58분 전
SMM 일일 리뷰: 9월 3일 탄산리튬 현물 가격 소폭 하락
더 보기
SMM 일일 리뷰: 9월 3일 탄산리튬 현물 가격 소폭 하락
SMM 일일 리뷰: 9월 3일 탄산리튬 현물 가격 소폭 하락
오늘 SMM 전지급 탄산리튬 현물 가격은 직전 거래일 대비 소폭 하락했다. 탄산리튬 2701 계약은 오늘 156,000위안/톤에 높게 개장한 뒤 장 초반 평균가선 위에서 횡보하며 장중 최고 158,000위안/톤까지 올랐다. 정오 무렵 매도 세력이 매도 압력을 강화하면서 가격이 급락해 평균가선 아래로 밀렸다. 오후에는 저점에서 약세 횡보했고, 일시적인 반등에도 불구하고 평균가선을 돌파하지 못한 채 149,500위안/톤까지 저점을 낮췄다. 장 마감 직전 149,800~150,000위안 구간에서 저점 횡보하다가 결국 3.71% 하락한 149,900위안/톤에 마감했으며, 미결제약정은 1,517계약 감소했다. 이번 주 중국 탄산리튬 공급은 회복세를 이어갔다. 이는 주로 일부 리튬 화학 공장의 정기 보수 완료와 리튬휘석, 레피돌라이트, 염호 자원 기반 공장들의 점진적인 생산 재개에 따른 것이며, 재활용 부문은 정상적인 생산을 유지했다. 시장 거래 및 재고 변화 측면에서는 월초에 접어들면서 상류 리튬 화학 공장들이 장기 계약 물량을 순차적으로 출하했다. 이번 주 가격이 160,000위안/톤 이상으로 오르자 일부 리튬 화학 공장은 현물 주문 판매 의향이 높아져 재고가 감소했다. 하류 소재 공장들은 소비가 지속적으로 증가했음에도 불구하고 장기 계약 물량과 고객 공급 원료가 순차적으로 인도되면서 재고가 대체로 안정적으로 유지되었고, 가격이 155,000위안/톤 아래로 떨어지자 현물 구매 의향이 점차 강화되었다. 트레이더들은 상류의 현물 출하가 소폭 증가하고 하류의 현물 구매가 정상 수준을 유지하면서 재고가 소폭 감소했다.
58분 전
[SMM Analysis] The Severe Volume Effect of Silicon During Lithiation Is the Biggest Limitation for the Commercialization of Silicon-Based Materials - Shanghai Metals Market (SMM)