В текущей волне энергичной разработки новых энергетических технологий, твердотельная батарея, как высокообладающая технология батареи следующего поколения, привлекло большое внимание всех слоев общества. Поскольку требования людей к выносливости электронных устройств и дистанции вождения электромобилей продолжают расти, а их акцент на производительности безопасности аккумулятора растет изо дня в день, ожидается, что твердотельная батарея будет рассмотреть многие болевые точки традиционных жидких литий-ионных батарей с точки зрения безопасности и диапазона. Однако перед его крупномасштабной популяризацией и применением ключевой вопрос задерживается в сознаниях потребителей: безопасен ли твердотельный аккумулятор и способен обеспечить большие расстояния? Чтобы ответить на этот вопрос, нам необходимо углубиться в рабочий механизм, технические характеристики, а также текущие исследования и состояние применения твердотельных батарей.
Рабочий принцип и структурные характеристики твердотельной батареи
Разница в сердечнике между твердотельной батареей и традиционной жидкой литий-ионной батареей лежит в виде электролита. Традиционные жидкие литий-ионные аккумуляторы используют жидкий электролит для достижения процесса зарядки и разгрузки посредством движения ионов лития между положительными и отрицательными электродами. Напротив, твердотельные батареи используют твердый электролит, который обычно изготовлен из керамических, полимерных или сульфидных материалов. В твердотельных батареях ионы лития также деинтеркалируются от положительного электрода во время зарядки и интеркалируют в отрицательный электрод через твердый электролит; Во время разрядки они движутся в противоположном направлении, в то время как электроны текут от отрицательного электрода к положительному электроду через внешнюю цепь, генерируя ток для питания устройства.
Использование твердого электролита обеспечивает твердотельные батареи с уникальными структурными характеристиками. По сравнению с жидким электролитом, который требует сепаратора для предотвращения короткого замыкания между положительными и отрицательными электродами, сам твердый электролит имеет двойные функции ионной проводимости и выделения электродов, что делает структуру аккумулятора более компактной. Между тем, твердый электролит демонстрирует более высокую стабильность и менее подвержен улетучке и утечке, закладывая основу для повышения производительности безопасности аккумулятора.
Производительность безопасности твердотельной батареи
Традиционные жидкие литий-ионные батареи представляют риск термического сбегания в высокотемпературных условиях. Когда температура аккумулятора превышает определенный порог, такой как 80 градусов, жидкий электролит может разлагаться для получения легковоспламеняющихся газов, а боковые реакции внутри аккумулятора усиливаются, что приводит к быстрому накоплению тепла и в конечном итоге приводит к тому, что аккумулятор выжимает или даже взрывается. Данные немецкого тестирования TWV ясно показывают эту скрытую опасность.
Твердовые батареи демонстрируют значительные преимущества в термической стабильности. Из -за отсутствия летучих и легковоспламеняющихся жидких компонентов в твердом электролите его тепловая стабильность намного выше, чем у жидкого электролита. Тест на прокола, проведенный новой организацией по развитию энергетических и промышленных технологий (NEDO) Японии, впечатляет: когда стальная игна прокола, сплошная батарея, температура аккумулятора возрастает только на 2 градуса, тогда как традиционная жидкая литий-ионная аккумуляция будет выстрелить и взрываться всего за 3 секунды. Этот экспериментальный результат визуально демонстрирует превосходную безопасность твердотельных батарей перед лицом экстремального механического насилия.
В бумаге под названием «Самостоятельные аккумуляторы более безопасны, чем (жидкие) литий-ионные батареи?» Опубликованные в Science в апреле 2022 года, исследователи обсудили пределы тепловой высвобождения и повышения температуры жидких литий-ионных батарей, полу-солидных батарей с определенным количеством электролита и полностью солидными батареями в рамках трех сценариев термического бега. Исследование показало, что в термическом бегемом состоянии, вызванном внешним нагреванием, аккумуляторы из всех солидных государств превосходят полуслительные и жидкие литий-ионные батареи. Высокая плотность твердого электролита в аккумуляторах со всех сторон может образовывать эффективный газовый барьер, предотвращая контакт между литием на отрицательном электроде и кислородом, высвобождаемым из положительного электрода. В этом гипотетическом сценарии не было бы значительного выпуска тепла.
Ингибирование роста дендрита лития
Во время процесса зарядки и разгрузки традиционных жидких литий-ионных батарей ионы лития могут прямо кристаллизоваться на поверхности негативного электрода во время быстрой зарядки, образуя опасные дендриты лития. Рост литий -дендритов не только приводит к распаду емкости аккумулятора, но также может проколоть сепаратор, вызывая короткий цикл между положительными и отрицательными электродами и запускает инцидент с безопасностью. Эта скрытая опасность была раскрыта инженерами из CATL.
Твердовые батареи демонстрируют потенциал в ингибировании роста дендритов лития. Специальная структура и свойства твердого электролита могут обеспечить более равномерный путь для миграции ионов лития, снижая возможность образования дендритов лития. Хотя полностью устранение роста литиевых дендритов по-прежнему ставит проблемы в практическом применении, тенденция улучшения твердотельных батарей в этом отношении очевидна по сравнению с жидкими литий-ионными батареями.
Потенциальные риски безопасности
Несмотря на множество преимуществ твердотельных батарей с точки зрения безопасности, они не являются абсолютно безопасными. В некоторых крайних случаях, например, когда твердый электролит сбое или литий-дендриты проникают в твердый электролит, вызывая короткий замыкание, безопасность аккумуляторов из всех штатов и полусолидных батарей не превосходит жидкие литий-ионные батареи. Профессор Ай Синьпинг из Школы химии и молекулярных наук в Университете Ухан указывает, что утверждение о том, что в всестороннем государственном государстве есть как высокая плотность энергии, так и хорошая безопасность фактически включает в себя концептуальную ловкость рук. Поскольку некоторые материалы в твердотельных батареях могут производить токсичные газы, такие как сероводород, в случае аварии, хотя они не будут напрямую сжигать людей, таких как традиционные батареи, газ сероводорода токсичен и может нанести серьезный вред человеческому организму.
Потенциал твердотельной батареи в диапазоне
Теоретически, твердотельные батареи имеют потенциал для достижения высокой плотности энергии, что, как ожидается, значительно повысит выносливость устройств. Твердый электролит позволяет использовать чистый металлический литий в качестве отрицательного электрода, который значительно увеличивает емкость для хранения энергии на единицу объема. Экспериментальные данные Института биоэнергетики и биопроцесс Циндао Института биоэнергетики и биопроцессов китайской академии наук показывают, что плотность энергии их твердотельных образцов аккумулятора превысила 500W\/кг, в то время как плотность энергии 21700 батареи, используемой в модели TESLA, составляет всего 260 ч\/кг.
В качестве примера, принимая электромобили, ассортимент вождения всегда был в центре внимания потребителя. Kunpeng Battery из Chery, представитель твердотельных батарей, планирует достичь плотности энергии в 400W\/кг в 2024 году и увеличить ее до 600W\/кг в 2025 году. Согласно плану, когда в 2027 году массово продуцируется в 2027 году, диапазон чистого электрического вождения, как ожидается, превысит 1500 км. Если эти цели будут достигнуты, это значительно облегчит тревогу пользователей электромобилей.
Проблемы в реальном диапазоне
Однако от лаборатории до практических применений твердотельные батареи по-прежнему сталкиваются с некоторыми проблемами с точки зрения диапазона. Во -первых, импеданс интерфейса между твердым электролитом и электродами является относительно заметным, что сродни созданию платной кабины на шоссе, препятствующей быстрому передаче ионов литий и влияет на эффективность зарядки батареи, тем самым отрицательно влияет на диапазон. Во -вторых, смертельный недостаток сульфидного электролита, который производит высокотоксичный серо водорода при воздействии воды, не только повышает риски безопасности во время производства батареи и использования, но также создает серьезные проблемы с стабильностью и надежностью батареи. Кроме того, низкий доход приготовления сплошной электролитной пленки приводит к высоким затратам на производство в больших масштабах, ограничивая широкое применение твердотельных батарей и косвенно влияет на процесс демонстрации их долгосрочных преимуществ на рынке.
Заключение и перспективы
Таким образом, твердотельные батареи демонстрируют значительный потенциал с точки зрения безопасности и диапазона. С точки зрения безопасности, их преимущества термической стабильности очевидны, и они могут эффективно ингибировать рост дендритов лития, что делает их более безопасными и надежными, чем традиционные жидкие литий-ионные батареи в большинстве случаев. Тем не менее, перед лицом экстремальных ситуаций, таких как сбой твердого электролита, все еще существуют определенные риски безопасности. С точки зрения диапазона, теоретическое преимущество высокой плотности энергии обеспечивает возможность для больших расстояний, а некоторые экспериментальные данные и корпоративные планы также показывают многообещающие перспективы. Однако в практических приложениях такие проблемы, как импеданс интерфейса, дефекты электролитов и стоимость, стали препятствиями, препятствующими полной реализации своих долгосрочных преимуществ.
Несмотря на многочисленные проблемы, твердотельные батареи по-прежнему считаются важным направлением разработки для технологий батареи следующего поколения.