Батерии во цврста состојба: Кога „замените“ ќе станат „главни потпори“?

Батерии во цврста состојбасе појавуваат како извор на енергија од следната генерација, но хибридните цврсто-течни батерии најверојатно прво ќе се комерцијализираат и ќе дејствуваат како клучен мост помеѓу денешните течни литиум-јонски ќелии и идните системи во целосно цврста состојба.

Какви се батериите во цврста состојба

Батериите во цврста состојба ги заменуваат запаливите течни електролити со цврсти материјали додека овозможуваат поголема густина на енергија и подобри безбедносни перформанси. Нивните катоди можат да користат високоенергетски материјали како што се соединенија базирани на манган богати со литиум, додека анодата може да комбинира нано-силициум и графит за да ја поттикне густината на енергијата кон 300-450 Wh/kg.

Цврстиот електролит носи јони на литиум без ризик од истекување и значително ја намалува веројатноста за термички бегство.

Анодите со поголем капацитет и катодите со висок напон им даваат на батериите со цврста состојба потенцијал за подолг опсег на возење кај електричните возила и подобрена издржливост во дронови или системи за складирање енергија.

Хибридно цврсто-течно како транзиција

Статијата разликува течни, хибридни цврсто-течни и целосно цврсти литиумски батерии, нагласувајќи дека хибридните дизајни се суштинска фаза на транзиција. Полуцврсти, квази-цврсти и „цврсти“ батерии на пазарот во голема мера спаѓаат во оваа хибридна категорија, кои се разликуваат само во односот на течен и цврст електролит.

Хибридните цврсто-течни батерии сè уште содржат малку течен електролит, кој го подобрува контактот со активните материјали и го олеснува производството.

Сите батерии во цврста состојба содржат само цврст електролит, нудејќи подобра внатрешна безбедност и поголема теоретска густина на енергија, но денес се соочуваат со посериозни инженерски предизвици.

Технички бариери за целосна цврста состојба

Иако многу компании и истражувачки институти ширум светот инвестираат во технологија со цврста состојба, ниту една ќелија со голем капацитет на цврста состојба сè уште не се совпаѓа со течните литиум-јонски батерии и според перформансите и по цена. Основната тешкотија лежи во интерфејсот цврсто-цврсто, каде што цврстите електролитни материјали го отежнуваат одржувањето на интимен контакт со електродите за време на возењето велосипед и промените на волуменот.

Тековните правци вклучуваат полимерни, тенкослојни, сулфидни и оксидни батерии во цврста состојба, секоја со посебни предности и ограничувања.

На пример, полимерните ќелии во цврста состојба се борат на собна температура и со високонапонски катоди, додека сулфидните системи се чувствителни на воздух и бараат тешки услови за производство.

Стратегија за зацврстување на самото место

За да се надминат проблемите со интерфејсот додека ја користат постоечката литиум-јонска инфраструктура, истражувачите предлагаат пристап за зацврстување на самото место за хибридни електролити цврсто-течни. За време на склопувањето на ќелијата, течниот претходник обезбедува добро навлажнување и контакт; подоцна, хемиските или електрохемиските реакции ја претвораат целата или дел од оваа течност во цврст електролит внатре во ќелијата.

Овој метод го подобрува контактот електрода-електролит, го потиснува растот на литиум дендрит и ја балансира безбедноста, високиот напон и перформансите за брзо полнење.

Исто така, може повторно да користи голем дел од тековниот процес на производство на течен литиум-јон, помагајќи им на производителите да се зголемат побрзо и да ги намалат трошоците.

Идни развојни насоки

Експертите очекуваат дека на литиумските батерии во целосно цврста состојба ќе им требаат уште околу пет години пред вистинската комерцијализација во големи размери, така што хибридните батерии со цврста и течна моќност остануваат реална блиска патека. За да се забрза индустријализацијата, написот ја нагласува потребата за координиран напредок во материјалите, дизајнот на ќелиите, производството и стандардите.

Приоритетите вклучуваат: развој на цврсти електролити со избалансирана јонска спроводливост, стабилност и обработливост; соодветни електроди со висока енергија, како што се катоди со висока содржина на никел и аноди од силикон-јаглерод или литиум метал; и интегрирање на дигитална симулација со интелигентно производство.

Индустријата е охрабрена да изгради робусни синџири за снабдување за клучни материјали, да инвестира во автоматизирана опрема, да ги усоврши системите за тестирање и евалуација и постепено да еволуира од хибридни цврсти-течни литиум-јонски батериикон целосно цврсти литиум метални батерии.