Μπαταρίες στερεάς κατάστασης: Πότε τα "υποκατάστατα" θα γίνουν "βασικά";

Μπαταρίες στερεάς κατάστασηςαναδεικνύονται ως η πηγή ενέργειας επόμενης γενιάς, αλλά οι υβριδικές μπαταρίες στερεού-υγρού είναι πιθανό να εμπορευματοποιηθούν πρώτα και να λειτουργήσουν ως κρίσιμη γέφυρα μεταξύ των σημερινών κυψελών ιόντων λιθίου υγρού και των μελλοντικών συστημάτων πλήρως στερεάς κατάστασης.

Τι είναι οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης

Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης αντικαθιστούν τους εύφλεκτους υγρούς ηλεκτρολύτες με στερεά υλικά, ενώ επιτρέπουν υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα και καλύτερη απόδοση ασφάλειας. Οι κάθοδοι τους μπορούν να χρησιμοποιούν υλικά υψηλής ενέργειας όπως ενώσεις με βάση το μαγγάνιο πλούσιες σε λίθιο, ενώ η άνοδος μπορεί να συνδυάσει νανοπυρίτιο και γραφίτη για να ωθήσει την ενεργειακή πυκνότητα σε 300–450 Wh/kg.

Ένας στερεός ηλεκτρολύτης μεταφέρει ιόντα λιθίου χωρίς κίνδυνο διαρροής και μειώνει σημαντικά την πιθανότητα θερμικής διαφυγής.

Οι άνοδοι υψηλότερης χωρητικότητας και οι κάθοδοι υψηλής τάσης δίνουν στις μπαταρίες στερεάς κατάστασης τη δυνατότητα για μεγαλύτερη αυτονομία στα ηλεκτρικά οχήματα και βελτιωμένη αντοχή σε drones ή συστήματα αποθήκευσης ενέργειας.

Υβριδικό στερεό-υγρό ως μετάβαση

Το άρθρο διακρίνει τις μπαταρίες υγρού, υβριδικού στερεού-υγρού και μπαταριών λιθίου πλήρως στερεάς κατάστασης, τονίζοντας ότι τα υβριδικά σχέδια είναι ένα ουσιαστικό μεταβατικό στάδιο. Οι ημι-στερεές, οιονεί στερεές και οι «στερεές» μπαταρίες στην αγορά εμπίπτουν σε μεγάλο βαθμό σε αυτήν την υβριδική κατηγορία, που διαφέρουν μόνο στην αναλογία υγρού προς στερεό ηλεκτρολύτη.

Οι υβριδικές μπαταρίες στερεού-υγρού εξακολουθούν να περιέχουν λίγο υγρό ηλεκτρολύτη, ο οποίος βελτιώνει την επαφή με ενεργά υλικά και διευκολύνει την κατασκευή.

Οι μπαταρίες σε στερεά κατάσταση περιέχουν μόνο στερεό ηλεκτρολύτη, προσφέροντας καλύτερη εσωτερική ασφάλεια και υψηλότερη θεωρητική πυκνότητα ενέργειας, αλλά αντιμετωπίζουν πιο σοβαρές μηχανικές προκλήσεις σήμερα.

Τεχνικά εμπόδια στην πλήρη στερεά κατάσταση

Παρόλο που πολλές εταιρείες και ερευνητικά ινστιτούτα παγκοσμίως επενδύουν στην τεχνολογία στερεάς κατάστασης, καμία κυψέλη ισχύος στερεάς κατάστασης μεγάλης χωρητικότητας δεν έχει ακόμη ταιριάξει με τις μπαταρίες υγρών ιόντων λιθίου τόσο σε απόδοση όσο και σε κόστος. Η βασική δυσκολία έγκειται στη διεπιφάνεια στερεού-στερεού, όπου τα άκαμπτα ηλεκτρολυτικά υλικά καθιστούν δύσκολη τη διατήρηση της στενής επαφής με τα ηλεκτρόδια κατά τη διάρκεια της ανακύκλωσης και των αλλαγών όγκου.

Οι τρέχουσες διαδρομές περιλαμβάνουν μπαταρίες πολυμερούς, λεπτής μεμβράνης, σουλφιδίου και οξειδίου στερεάς κατάστασης, καθεμία με ξεχωριστά πλεονεκτήματα και περιορισμούς.

Για παράδειγμα, τα πολυμερή κύτταρα στερεάς κατάστασης παλεύουν σε θερμοκρασία δωματίου και με καθόδους υψηλής τάσης, ενώ τα συστήματα σουλφιδίου είναι ευαίσθητα στον αέρα και απαιτούν απαιτητικές συνθήκες κατασκευής.

Στρατηγική επιτόπιας στερεοποίησης

Για να ξεπεραστούν τα ζητήματα της διεπαφής ενώ αξιοποιούν την υπάρχουσα υποδομή ιόντων λιθίου, οι ερευνητές προτείνουν μια επί τόπου προσέγγιση στερεοποίησης για υβριδικούς ηλεκτρολύτες στερεού-υγρού. Κατά τη συναρμολόγηση της κυψέλης, ένας υγρός πρόδρομος εξασφαλίζει καλή διαβροχή και επαφή. αργότερα, χημικές ή ηλεκτροχημικές αντιδράσεις μετατρέπουν όλο ή μέρος αυτού του υγρού σε στερεό ηλεκτρολύτη μέσα στο στοιχείο.

Αυτή η μέθοδος βελτιώνει την επαφή ηλεκτροδίου-ηλεκτρολύτη, καταστέλλει την ανάπτυξη δενδρίτη λιθίου και εξισορροπεί την ασφάλεια, την υψηλή τάση και την απόδοση ταχείας φόρτισης.

Μπορεί επίσης να επαναχρησιμοποιήσει μεγάλο μέρος της τρέχουσας διαδικασίας παραγωγής υγρών ιόντων λιθίου, βοηθώντας τους κατασκευαστές να κλιμακωθούν πιο γρήγορα και να μειώσουν το κόστος.

Μελλοντικές κατευθύνσεις ανάπτυξης

Οι ειδικοί αναμένουν ότι οι μπαταρίες λιθίου σε στερεά κατάσταση θα χρειαστούν περίπου πέντε ακόμη χρόνια πριν από την πραγματική εμπορευματοποίηση μεγάλης κλίμακας, επομένως οι υβριδικές μπαταρίες στερεάς-υγρής ισχύος παραμένουν μια ρεαλιστική βραχυπρόθεσμη διαδρομή. Για να επιταχυνθεί η εκβιομηχάνιση, το άρθρο υπογραμμίζει την ανάγκη για συντονισμένη πρόοδο στα υλικά, το σχεδιασμό κυψελών, την κατασκευή και τα πρότυπα.

Οι προτεραιότητες περιλαμβάνουν: ανάπτυξη στερεών ηλεκτρολυτών με ισορροπημένη ιοντική αγωγιμότητα, σταθερότητα και δυνατότητα επεξεργασίας. αντιστοίχιση ηλεκτροδίων υψηλής ενέργειας, όπως καθόδους υψηλής περιεκτικότητας σε νικέλιο και άνοδοι μετάλλου πυριτίου-άνθρακα ή λιθίου. και ενσωμάτωση της ψηφιακής προσομοίωσης με την έξυπνη κατασκευή.

Η βιομηχανία ενθαρρύνεται να δημιουργήσει ισχυρές αλυσίδες εφοδιασμού για βασικά υλικά, να επενδύσει σε αυτοματοποιημένο εξοπλισμό, να βελτιώσει τα συστήματα δοκιμών και αξιολόγησης και σταδιακά να εξελιχθεί από υβριδικό στερεό-υγρό μπαταρίες ιόντων λιθίουπρος πλήρως στερεάς κατάστασης μπαταρίες μετάλλου λιθίου.