Солид-стате батерије: када ће „замене“ постати „главни ослонци“?

Солид-стате батеријесе појављују као извор напајања следеће генерације, али ће се хибридне батерије чврстог и течног типа вероватно прве комерцијализовати и деловати као кључни мост између данашњих течних литијум-јонских ћелија и будућих потпуно чврстих система.

Шта су солид-стате батерије

Чврсте батерије замењују запаљиве течне електролите чврстим материјалима истовремено омогућавајући већу густину енергије и боље безбедносне перформансе. Њихове катоде могу да користе високоенергетске материјале као што су једињења на бази мангана богата литијумом, док анода може да комбинује наносилицијум и графит да би густину енергије померила ка 300–450 Вх/кг.

Чврсти електролит носи литијум јоне без ризика од цурења и значајно смањује вероватноћу топлотног бекства.

Аноде већег капацитета и високонапонске катоде дају солид-стате батеријама потенцијал за дужи домет вожње у електричним возилима и побољшану издржљивост у дроновима или системима за складиштење енергије.

Хибрид чврсто-течно као прелаз

У чланку се разликују течне, хибридне чврсто-течне и потпуно чврсте литијумске батерије, наглашавајући да су хибридни дизајни суштинска фаза транзиције. Полу-чврсте, квази-чврсте и „чврсте” батерије на тржишту углавном спадају у ову хибридну категорију, разликују се само у односу течног и чврстог електролита.

Хибридне батерије чврсто-течност и даље садрже нешто течног електролита, што побољшава контакт са активним материјалима и олакшава производњу.

Потпуно чврсте батерије садрже само чврсти електролит, нудећи бољу интринзичну сигурност и већу теоријску густину енергије, али се данас суочавају са озбиљнијим инжењерским изазовима.

Техничке препреке потпуном чврстом стању

Иако многе компаније и истраживачки институти широм света улажу у технологију чврстог стања, ниједна чврста ћелија за напајање великог капацитета још увек није упоредила течне литијум-јонске батерије и по перформансама и по цени. Основна потешкоћа лежи у интерфејсу чврсто-чврсто, где чврсти електролитни материјали отежавају одржавање интимног контакта са електродама током циклуса и промене запремине.

Тренутни путеви укључују полимерне, танкослојне, сулфидне и оксидне чврсте батерије, од којих свака има јасне предности и ограничења.

На пример, ћелије у чврстом стању од полимера се боре на собној температури и са високонапонским катодама, док су сулфидни системи осетљиви на ваздух и захтевају захтевне услове производње.

Стратегија учвршћивања на лицу места

Да би се превазишли проблеми интерфејса уз искориштавање постојеће литијум-јонске инфраструктуре, истраживачи предлажу ин-ситу приступ очвршћавања хибридних чврсто-течних електролита. Током састављања ћелије, течни прекурсор обезбеђује добро влажење и контакт; касније, хемијске или електрохемијске реакције претварају целу или део ове течности у чврсти електролит унутар ћелије.

Ова метода побољшава контакт електрода-електролит, потискује раст литијум дендрита и балансира безбедност, висок напон и перформансе брзог пуњења.

Такође може поново да искористи већи део тренутног течног литијум-јонског производног процеса, помажући произвођачима да се брже повећају и смање трошкове.

Будући правци развоја

Стручњаци очекују да ће потпуно чврстим литијумским батеријама требати још отприлике пет година пре праве комерцијализације великих размера, тако да хибридне батерије чврстог и течног напајања остају реалан краткорочни пут. Да би се убрзала индустријализација, чланак наглашава потребу за координисаним напретком у материјалима, дизајну ћелија, производњи и стандардима.

Приоритети укључују: развој чврстих електролита са уравнотеженом јонском проводљивошћу, стабилношћу и способношћу за обраду; усклађивање високоенергетских електрода као што су катоде са високим садржајем никла и аноде од силицијум-угљеника или литијум метала; и интегрисање дигиталне симулације са интелигентном производњом.

Индустрија се охрабрује да изгради робусне ланце снабдевања за кључне материјале, инвестира у аутоматизовану опрему, побољша системе тестирања и евалуације и постепено еволуира од хибрида чврстог и течног. литијум-јонске батеријепрема потпуно чврстим литијум металним батеријама.