U trenutnom talasu energičnog razvoja novih energetskih tehnologija, čvrsta državna baterija, kao visoko obećavajuća tehnologija baterije sljedeće generacije, privukla je veliku pažnju od svih šetnji života. Kako se ljudi za izdržljivost elektroničkih uređaja i vožnje električnim vozilima i dalje povećavaju, a njihov naglasak na sigurnosnim performansama baterije raste iz dana u dan, čvrsto se očekuje da se baterija i raspona i raspona bavi baterijama od strane tradicionalnih tečnih litijum-jonskih baterija u pogledu sigurnosti i raspona. Međutim, prije njegove popularizacije i primjene velikog razmjera, ključno pitanje koje se nalazi u umu potrošača: je solidna državna baterija koja se sigurno i može pružiti dugog raspona? Da biste odgovorili na ovo pitanje, moramo se unijeti u radni mehanizam, tehničke karakteristike i trenutna istraživanja i status primjene čvrstih državnih baterija.
Princip rada i strukturne karakteristike baterije sa sobnom stanju
Osnovna razlika između baterije sa čvrstim stanjem i tradicionalne tečnosti litijum-jonske baterije leži u obliku elektrolita. Tradicionalne tekuće litijum-jonske baterije koriste tečni elektrolit za postizanje postupka punjenja i pražnjenja kroz kretanje litijumskih jona između pozitivnih i negativnih elektroda. Suprotno tome, čvrste strane baterije koriste čvrste elektrolite, koji se obično izrađuje od keramičkog, polimernog ili sulfidnog materijala. U čvrstim državnim baterijama, litijum-joni ioni također se uklanjaju iz pozitivne elektrode za vrijeme punjenja i interkalata u negativnu elektrodu kroz čvrsti elektrolit; Tijekom pražnjenja, oni se kreću u suprotnom smjeru, dok elektroni prolaze iz negativne elektrode na pozitivnu elektrodu kroz vanjski krug, stvarajući struju da napaja uređaj.
Upotreba čvrstog elektrolita enduim Solid-State baterije s jedinstvenim strukturnim karakteristikama. U odnosu na tečni elektrolit, koji zahtijeva odvajača za sprečavanje kratkog spoja između pozitivnih i negativnih elektromoda, sama čvrsta elektrolita ima dvostruke funkcije izolacije iona i elektroda, čineći konstrukciju baterije kompaktnije. U međuvremenu, čvrsti elektrolit pokazuje veću stabilnost i manje je sklona volatilizaciji i curenju, postavljajući temelj za poboljšane performanse sigurnosti baterije.
Sigurnosne performanse čvrstoće baterije
Tradicionalne tečne litijum-jonske baterije predstavljaju rizik od termičkog bijega pod visokim temperaturnim uvjetima. Kada temperatura baterije prelazi određeni prag, poput 80 stepeni, tečni elektrolit može razgraditi za proizvodnju zapaljivih gasova, a sporedne reakcije unutar baterije, što dovodi do brzog nakupljanja topline i na kraju uzrokujući da se baterija zapali ili čak eksplodira. Podaci iz njemačke TÜV agencije za testiranje jasno otkrivaju ovu skrivenu opasnost.
Solid-State baterije pokazuju značajne prednosti u termičkoj stabilnosti. Zbog nepostojanja isparljivih i zapaljivih tekućih komponenti u čvrstom elektrolitu, njegova termička stabilnost je mnogo veća od tečnog elektrolita. Test probijanja provedbene novom energetskom i industrijskom tehnološkom organizacijom Japana je impresivan: Kada čelična igla probija čvrstu državnu bateriju, temperatura baterije raste samo za 2 stepena, dok će tradicionalna tečna litijum-jonska baterija zapaliti i eksplodirati u samo 3 sekunde. Ovaj eksperimentalni rezultat vizualno pokazuje vrhunsku sigurnost čvrstih državnih baterija u lice ekstremne mehaničke zloupotrebe.
U papiru pod nazivom "Jesu li čvrste baterije sigurnije od (tečne) litijum-jonske baterije?" Objavljeno u nauci u aprilu 2022. godine, istraživači su razgovarali o granicama oslobađanja topline i temperaturi u temperaturnim litijum-jonskim baterijama, polu-čvrstim baterijama sa određenom količinom elektrolita, te sve čvrste baterije pod tri termičke scenarije. Studija je utvrdila da je u toplotnom odbjeglom stanju uzrokovano vanjskim grijanjem, sve čvrste državne baterije nadmašuju polučvrsti i tekuće litijum-jonske baterije. Visoka gustoća čvrstog elektrolita u sve čvrstim državnim baterijama može formirati efikasnu bateriju za plin, sprečavajući kontakt između litijuma na negativnom elektrodu i kisiku puštenom iz pozitivne elektrode. U ovom hipotetičkom scenariju ne bi bilo značajnog puštanja na toplinu.
Inhibicija rasta litijum dendriti
Tijekom postupka punjenja i pražnjenja tradicionalnih tečnih litijum-jonskih baterija, litijum-joni mogu izravno kristalizirati na površini negativne elektrode tokom brzog punjenja, formiranje opasnih litijumskih dendriti. Rast litijumskih dendriti ne samo dovodi do propadanja kapaciteta baterije, ali može probiti separator, uzrokujući kratki spoj između pozitivnih i negativnih elektroda i pokreću sigurnosni incident. Ova skrivena opasnost otkrili su inženjeri iz CATL-a.
Solid-State baterije pokazuju potencijal za inhibiranje rasta litijum dendrita. Specijalna struktura i svojstva čvrstog elektrolita mogu pružiti jedinstveniji put za migraciju litijum-jonske, smanjujući mogućnost litijumske dendritne formiranja. Iako u potpunosti eliminira rast litijumskog dendriti i dalje predstavlja izazove u praktičnim primjenama, trend poboljšanja čvrstih državnih baterija u tom pogledu očito je u odnosu na tečne litijum-jonske baterije.
Potencijalni sigurnosni rizici
Uprkos mnogim prednostima čvrstih državnih baterija u pogledu sigurnosti, oni nisu apsolutno sigurni. U određenim ekstremnim slučajevima, kao što je kad solidni elektrolit ne uspije ili litijum-dendriti prodiru u čvrsti elektrolit, uzrokujući kratkog spoja, sigurnost sve čvrstih državnih baterija i polu-čvrstih baterija nije superiorna od tečnih litijum-jonskih baterija. Profesor AI Xinping iz škole hemije i molekularne nauke na Sveučilištu Wuhan ističe da tvrdnja da sve čvrste državne baterije imaju i visoku gustinu energije i dobra sigurnost zapravo uključuju konceptualnu vesku ruku. Budući da neki materijali u čvrstim državnim baterijama mogu proizvesti otrovne gasove kao što su vodonik sulfid u slučaju nesreće, mada neće direktno izgorjeti ljude poput tradicionalnih baterija, hidrogen sulfidni plin je toksičan i može izazvati ozbiljnu štetu ljudskom tijelu.
Potencijal baterije sa sobnom stanju u dometu
Teoretski, baterije od solidacije imaju potencijal za postizanje visoke gustoće energije, što se očekuje da značajno poboljša izdržljivost uređaja. Čvrsti elektrolit omogućava upotrebu čistog metalnog litijuma kao negativne elektrode, što značajno povećava kapacitet za pohranu energije po jedinici zapremine jedinice. Eksperimentalni podaci iz QingDao Instituta za bioenergiju i tehnologiju bioprocesne akademije nauka pokazuju da je energetska gustina njihovih solidnih uzoraka baterije premašila 500Wh \/ kg, dok je energetska gustina baterije 21700 u Teslinu model 3 samo 260Wh \/ kg.
Uzimanje električnih vozila kao primjer, aranži za vožnju uvijek je bio fokus potrošačke pažnje. Kunpeng baterija iz Cheryja, kao predstavnik čvrstih državnih baterija, planira postići energetsku gustinu od 400Wh i povećati ga na 600Wh \/ kg 2025. godine. Prema planu, kada se očekuje da se masovno proizvede u 2027. godini, čisti električni raspon vožnje prelazi 1500km. Ako se ovi ciljevi postignu, uvelike će ublažiti anksioznost asortimana za korisnike električnih vozila.
Izazovi u stvarnom rasponu
Međutim, iz laboratorija do praktičnih primjena, čvrste državne baterije i dalje se suočavaju sa nekim izazovima u smislu raspona. Prvo, impedancija sučelja između čvrstog elektrolita i elektroda relativno je ugledno postavljanje naplatnog kabina na autoputu, ometajući brzi prijenos litijumskih jona i utječe na efikasnost baterije i praznjenju, na taj način negativno utječe na raspon. Drugo, fatalna mana elektrolita sulfide, koja proizvodi visoko toksični vodonik sulfid kada je izložen vodom, ne samo povećavajući sigurnosne rizike tokom proizvodnje i upotrebe baterije, ali također predstavlja teške izazove u stabilnosti i pouzdanosti baterije. Pored toga, nizak prinos čvrstog elektrolitskog filma u velikoj mjeri vodi do visokih troškova proizvodnje u velikoj mjeri, ograničavajući široku primjenu čvrstih državnih baterija i indirektno utječe na proces njihovih dugoročnih prednosti na tržištu.
Zaključak i izgledi
Ukratko, baterije od solidacije pokazuju značajan potencijal u pogledu sigurnosti i raspona. U pogledu sigurnosti su vidljive njihove prednosti toplotne stabilnosti, a oni mogu efikasno inhibirati rast litijum-dendrita, čineći ih sigurnijim i pouzdanim od tradicionalnih tečnih litijum-jonskih baterija u većini slučajeva. Međutim, pred krajnjim situacijama kao što su kvar solidnih elektrolita, još uvijek postoje sigurni rizici. U pogledu raspona, teorijska prednost visoke gustoće energije pruža mogućnost dužeg raspona, a neki eksperimentalni podaci i korporativni planovi također pokazuju obećavajuće izglede. Međutim, u praktičnim primjenama, problemi poput impedancije sučelja, elektrolitni nedostaci i trošak postali su prepreke koje ometaju potpunu realizaciju svojih dugoročnih prednosti.
Uprkos suočavanjem s brojnim izazovima, baterije sa sobnim državom i dalje se smatraju važnim razvojnim smjerom za tehnologije baterije nove generacije.