W obecnej fali energicznego rozwoju nowych technologii energetycznych bateria w stanie stałym, jako bardzo obiecująca technologia akumulatorów nowej generacji, przyciągnęła dużą uwagę ze wszystkich środowisk. Ponieważ wymagania ludzi w zakresie wytrzymałości urządzeń elektronicznych i zasięg napędzania pojazdów elektrycznych stale rosną, a ich nacisk na bezpieczeństwo baterii rośnie z dnia na dzień, bateria stałego w stanie stałym jest bardzo oczekiwana na wiele punktów bólu tradycyjnych płynnych baterii litowo-jonowych pod względem bezpieczeństwa i zasięgu. Jednak przed popularyzacją i zastosowaniem na dużą skalę kluczowe pytanie pozostaje w umysłach konsumentów: czy bateria stała jest bezpieczna i jest w stanie zapewnić daleki zasięg? Aby odpowiedzieć na to pytanie, musimy zagłębić się w mechanizm roboczy, cechy techniczne oraz obecny status badań i zastosowania baterii stałego.
Zasada pracy i charakterystyka strukturalna baterii w stanie stałym
Różnica podstawowa między baterią w stanie stałym a tradycyjną ciekłą akumulatorą litowo-jonową leży w postaci elektrolitu. Tradycyjne akumulatory litowo-jonowe stosują płynny elektrolit do osiągnięcia procesu ładowania i rozładowywania poprzez ruch jonów litowych między elektrodami dodatnimi i ujemnymi. Natomiast akumulatory w stanie stałym wykorzystują stały elektrolit, który jest zwykle wykonany z materiałów ceramicznych, polimerowych lub siarczkowych. W akumulatorach solidnych jony litowe również deinterkalują z elektrody dodatniej podczas ładowania i interkalują w elektrodzie ujemnej przez stały elektrolit; Podczas rozładowywania poruszają się w przeciwnym kierunku, podczas gdy elektrony przepływają z elektrody ujemnej do elektrody dodatniej przez obwód zewnętrzny, generując prąd do zasilania urządzenia.
Zastosowanie stałych elektrolitów obdarza baterie w stanie stałym o unikalnych cechach strukturalnych. W porównaniu z ciekłym elektrolitem, który wymaga separatora, aby zapobiec zwarciu między elektrodami dodatnimi i ujemnymi, sam stały elektrolit ma podwójne funkcje przewodnictwa jonowego i izolacji elektrody, dzięki czemu struktura baterii jest bardziej kompaktowa. Tymczasem stały elektrolit wykazuje wyższą stabilność i jest mniej podatna na ulotkę i wyciek, kładąc podkład w celu poprawy wydajności bezpieczeństwa baterii.
Wydajność bezpieczeństwa baterii w stanie stałym
Tradycyjne akumulatory litowo-jonowe stanowią ryzyko ucieczki termicznej w warunkach wysokiej temperatury. Gdy temperatura akumulatora przekracza określony próg, taki jak 80 stopni, ciekawy elektrolit może rozkładać się w celu wytwarzania łatwopalnych gazów, a reakcje boczne w obrębie akumulatora nasilają się, co prowadzi do szybkiego gromadzenia ciepła i ostatecznie powodując, że akumulator zapala się lub nawet eksploduje. Dane z niemieckiej agencji testowej Tüv wyraźnie ujawniają to ukryte niebezpieczeństwo.
Akumulatory w stanie stałym wykazują znaczące zalety w stabilności termicznej. Z powodu braku lotnych i łatwopalnych składników ciekłego w stałym elektrolicie jego stabilność termiczna jest znacznie wyższa niż w ciekłym elektrolicie. Test nakłucia przeprowadzony przez Nową Organizację Rozwoju Technologii Energii i Przemysłowej (NEDO) w Japonii jest imponująca: gdy igła stalowa przebija baterię stałą, temperatura akumulatora wzrasta tylko o 2 stopnie, podczas gdy tradycyjny ciekł litowo-jonowy bateria zapali się i eksploduje w ciągu zaledwie 3 sekund. Ten wynik eksperymentalny wizualnie pokazuje lepsze bezpieczeństwo baterii w stanie stałym w obliczu ekstremalnego nadużycia mechanicznego.
W artykule zatytułowanym „Czy akumulatory solidne są bezpieczniejsze niż (płynne) akumulatory litowo-jonowe?” Opublikowani w Science w kwietniu 2022 r. Naukowcy omówili ograniczenia uwalniania ciepła i wzrostu temperatury akumulatorów litowo-jonowych, pół-stałych akumulatorów z pewną ilością elektrolitu i akumulatorów solidowych w trzech niekontrolowanych scenariuszach. Badanie wykazało, że w stanie niekontrolowanym termicznym spowodowanym zewnętrznym ogrzewaniem akumulatory w całości solidnym przewyższają baterie na pół-stały i ciekłe akumulatory litowo-jonowe. Wysoka gęstość stałego elektrolitu w akumulatorach w całym solidach może tworzyć efektywną barierę gazową, zapobiegając kontaktowi litu na elektrodzie ujemnej i tlenu uwalnianym z elektrody dodatniej. W tym hipotetycznym scenariuszu nie byłoby istotnego uwalniania ciepła.
Hamowanie wzrostu dendrytu litu
Podczas procesu ładowania i rozładowywania tradycyjnych akumulatorów litowo-jonowych litowych jony litowe mogą bezpośrednio krystalizować na powierzchni elektrody ujemnej podczas szybkiego ładowania, tworząc niebezpieczne dendryty litowe. Wzrost dendrytów litowych prowadzi nie tylko do rozkładu pojemności akumulatora, ale może również przebić separator, powodując zwarcie między elektrodami dodatnimi i ujemnymi i wywołując incydent bezpieczeństwa. To ukryte niebezpieczeństwo ujawniło inżynierowie z CATL.
Baterie w stanie stałym wykazują potencjał w hamowaniu wzrostu dendrytu litowego. Specjalna struktura i właściwości stałego elektrolitu mogą zapewnić bardziej jednolitą ścieżkę migracji jonów litowych, zmniejszając możliwość tworzenia dendrytu litu. Chociaż całkowicie eliminowanie wzrostu dendrytu litowego nadal stanowi wyzwania w praktycznych zastosowaniach, trend poprawy akumulatorów stałych w tym względzie jest widoczny w porównaniu z akumulatorami litowo-jonowymi.
Potencjalne zagrożenia bezpieczeństwa
Pomimo wielu zalet baterii w stanie stałym pod względem bezpieczeństwa, nie są one absolutnie bezpieczne. W niektórych ekstremalnych przypadkach, na przykład gdy stały elektrolit zawodzi lub dendryty litowe przenikają stały elektrolit, powodując zwarcie, bezpieczeństwo akumulatorów solidowych i baterii półstałowych nie jest lepsze niż bezpieczeństwo akumulatorów litowo-jonowych. Profesor Ai Xinping ze School of Chemistry and Molecular Sciences na Uniwersytecie Wuhan wskazuje, że twierdzenie, że akumulatory w stanie solidowym mają zarówno wysoką gęstość energii, jak i dobre bezpieczeństwo, faktycznie wiąże się z koncepcyjnym sztucznym poziomem dłoni. Ponieważ niektóre materiały w akumulatorach stałych mogą wytwarzać toksyczne gazy, takie jak siarkowodór w przypadku wypadku, chociaż nie będą one bezpośrednio spalić ludzi takich jak tradycyjne baterie, gaz siarkowodoru jest toksyczny i może powodować poważne szkody ludzkiemu organizmowi.
Potencjał baterii w stanie stałym w zakresie
Teoretycznie akumulatory w stanie stałym mogą potencjalnie osiągnąć wysoką gęstość energii, która ma znacznie zwiększyć wytrzymałość urządzeń. Stały elektrolit pozwala na stosowanie czystego litu metalicznego jako elektrody ujemnej, która znacznie zwiększa pojemność magazynowania energii na jednostkę objętości. Dane eksperymentalne z Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology chińskiej Akademii Nauk pokazują, że gęstość energii ich próbek baterii w stanie stałym przekroczyła 500 Wh\/kg, podczas gdy gęstość energii baterii 21700 zastosowanej w Modelu 3 Tesli 3 wynosi tylko 260H\/kg.
Przykładając pojazdy elektryczne, zasięg jazdy zawsze był przedmiotem uwagi konsumentów. Akumulator Kunpeng z Chery, jako przedstawiciel baterii w stanie stałym, planuje osiągnąć gęstość energii 400W\/kg w 2024 r. I zwiększyć ją do 600W\/kg w 2025 r. Według planu, po produkowaniu masowym w 2027 r. Oczekuje się, że czysty zasięg jazdy elektrycznej przekroczy 1500 km. Jeśli te cele zostaną osiągnięte, znacznie złagodzi zasięg lęku użytkowników pojazdów elektrycznych.
Wyzwania w rzeczywistym zakresie
Jednak od laboratorium po praktyczne zastosowania akumulatory w stanie stałym nadal stają przed pewnymi wyzwaniami pod względem zasięgu. Po pierwsze, impedancja interfejsu między stałym elektrolitem a elektrodami jest stosunkowo widoczna, co jest podobne do ustawiania kabiny opłat na autostradzie, utrudniając szybką transmisję jonów litowych i wpływając na ładowanie i wydajność rozładowywania akumulatora, a tym samym nie miała wpływu na zakres. Po drugie, śmiertelna wada elektrolitu siarczkowego, która wytwarza wysoce toksyczny siarkow wodór po wystawieniu na wodę, nie tylko zwiększa zagrożenia bezpieczeństwa podczas produkcji i stosowania akumulatorów, ale także stanowi poważne wyzwania dla stabilności i niezawodności akumulatora. Ponadto niska wydajność przygotowania folii stałych elektrolitów prowadzi do wysokich kosztów produkcji na dużą skalę, ograniczając powszechne stosowanie baterii w stanie stałym i pośrednio wpływając na proces wykazania ich zalet dalekiego zasięgu na rynku.
Wniosek i perspektywy
Podsumowując, akumulatory w stanie stałym wykazują znaczący potencjał pod względem bezpieczeństwa i zasięgu. Pod względem bezpieczeństwa ich zalety stabilności termicznej są widoczne i mogą skutecznie hamować wzrost dendrytu litowego, czyniąc je bardziej bezpiecznymi i niezawodnymi niż tradycyjne akumulatory litowo-jonowe w większości przypadków. Jednak w obliczu ekstremalnych sytuacji, takich jak awaria stałego elektrolitu, nadal istnieją pewne zagrożenia bezpieczeństwa. Jeśli chodzi o zasięg, teoretyczna przewaga wysokiej gęstości energii zapewnia możliwość dalekiego zasięgu, a niektóre dane eksperymentalne i plany korporacyjne również wykazują obiecujące perspektywy. Jednak w praktycznych zastosowaniach kwestie takie jak impedancja interfejsu, wady elektrolitu i koszty stały się przeszkodami utrudniającymi pełną realizację ich zalet dalekiego zasięgu.
Pomimo licznych wyzwań, baterie w stanie stałym są nadal uważane za ważny kierunek rozwoju technologii baterii nowej generacji.