Analizați bateriile cu stare solidă și avantajele și dezavantajele acestora
Cinci caracteristici ale bateriilor cu stare solidă
Securitate inalta:
Problemele de siguranță ale bateriilor lichide au fost întotdeauna criticate. Electrolitul este ușor inflamabil la temperaturi ridicate sau la impact puternic. La curenți mari, dendritele de litiu vor părea, de asemenea, să străpungă separatorul și să provoace un scurtcircuit. Uneori, electrolitul poate suferi reacții secundare sau se poate descompune la temperaturi ridicate. Stabilitatea termică a electroliților lichizi poate fi menținută doar până la 100 de grade, în timp ce electroliții oxidici solizi pot ajunge la 800 de grade, iar sulfurile și halogenurile pot ajunge și la 400 de grade. Oxizii solizi sunt mai stabili decât lichidele și, datorită formei lor solide, rezistența la impact este mult mai mare decât cea a lichidelor. Prin urmare, bateriile cu stare solidă pot satisface nevoile de siguranță ale oamenilor.
Densitate mare de energie:
În prezent, bateriile cu stare solidă nu au atins o densitate de energie care să depășească pe cea a bateriilor lichide, dar teoretic, bateriile cu stare solidă pot atinge o densitate de energie foarte mare. Bateriile cu stare solidă nu trebuie să fie învelite în lichid pentru a preveni scurgerile precum bateriile lichide. Prin urmare, învelișurile redundante, filmele de ambalare, materialele de disipare a căldurii etc. pot fi eliminate, iar densitatea de energie poate fi mult îmbunătățită.
De mare putere:
Ionii de litiu din bateriile lichide sunt transportați prin conducție, în timp ce ionii de litiu din bateriile cu stare solidă sunt prin conducție de salt, care este mai rapidă și are o rată de încărcare și descărcare mai mare. Încărcarea rapidă a fost întotdeauna o dificultate în tehnologia bateriilor lichide, deoarece litiul va fi precipitat dacă viteza de încărcare este prea mare, dar această problemă nu există în bateriile cu stare solidă.
Performanță la temperatură scăzută:
Bateriile lichide funcționează în general stabil la -10 grade până la 45 de grade , dar intervalul lor de croazieră scade serios iarna. Temperatura de funcționare a electroliților solizi este între -30 grade și 100 de grade , așa că nu va exista o reducere a duratei de viață a bateriei, cu excepția zonelor extrem de reci și nu este necesar un sistem complex de management termic.
Durata de viata lunga:
Dintre bateriile lichide, durata medie de viață a bateriilor ternare este de 500-1000 cicluri, iar durata de viață a fosfatului de fier litiu poate ajunge la 2000 cicluri. Filmul subțire complet în stare solidă poate ajunge la 45,000 cicluri în viitor, iar durata de viață de 5C în laborator poate ajunge la 10.000 de ori. Atunci când costul de producție al aceleiași densități de energie poate fi convergent, eficiența costurilor bateriilor cu stare solidă este de neegalat.
Comparația a 4 electroliți anorganici solizi
Tipurile de materiale ale electroliților solizi pot fi împărțite în patru categorii: oxizi, sulfuri, polimeri și halogenuri. Fiecare dintre aceste patru tipuri de electroliți are proprietăți fizice și chimice diferite, ceea ce determină dificultatea cercetării și dezvoltării, producției și industrializării și poziția sa viitoare pe piață.
Electroliți de oxid:
Avantaje:Conductivitatea ionică este la mijloc și are cea mai bună stabilitate electrochimică, stabilitate mecanică și stabilitate termică. Poate fi adaptat la materiale catodice de înaltă tensiune și anozi metalici de litiu. Conductivitate electronică excelentă și selectivitate ionică. În același timp, gradul de continuitate a echipamentului și costul de fabricație au, de asemenea, mari avantaje. Abilitatea cuprinzătoare este cea mai cuprinzătoare.
Dezavantaje:Stabilitatea reducerii este ușor scăzută, fragilă și poate provoca fisuri.
Electroliții de oxid au o rezistență mecanică ridicată, o bună stabilitate termică și a aerului și ferestre electrochimice largi. Electroliții de oxid pot fi împărțiți în stări cristaline și amorfe. Electroliții obișnuiți de oxid cristalin includ de tip perovskit, de tip LISICON, de tip NASICON și de tip granat. Electroliții de oxid pot rezista la tensiuni înalte, au temperaturi ridicate de descompunere și au o rezistență mecanică bună. Cu toate acestea, conductivitatea ionică la temperatura camerei este scăzută (<10-4 S/cm), it has poor contact with the solid-solid interface of the positive and negative electrodes, and it is usually thick (>200μm), ceea ce reduce foarte mult densitatea de energie de volum a bateriei. Prin doparea elementului și modificarea graniței granulelor, conductivitatea la temperatura camerei a electroliților de oxid poate fi crescută la ordinul 10-3 S/cm. Controlul volumului de cristal și adăugarea de acoperiri polimerice poate îmbunătăți contactul interfacial dintre electrolitul de oxid și electrozii pozitivi și negativi. Metodele de acoperire cu soluție/nămol pot produce membrane electrolitice solide ultrasubțiri.
Electrolit sulfurat:
Avantaje:cea mai mare conductivitate ionică, rezistență la granițele mici, ductilitate bună și selectivitate bună a ionilor.
Dezavantaje:stabilitate chimică slabă, va reacționa cu metalul de litiu și va reacționa ușor cu aerul umed. Costul este mai mare și proprietățile mecanice sunt slabe. În prezent, producția trebuie încă realizată într-o cutie de torpedo, ceea ce face dificilă producția în masă la scară largă.
Electroliții sulfurați au o conductivitate ridicată la temperatura camerei și o ductilitate bună, iar stabilitatea lor poate fi îmbunătățită prin dopare și acoperire. Electroliții cu sulfuri vin în prezent în trei forme principale: sticlă, sticlă ceramică și cristale. Electroliții cu sulfuri au o conductivitate ridicată la temperatura camerei, care poate fi apropiată de cea a electroliților lichizi (10-4-10-2 S/cm), duritate moderată, contact fizic bun de interfață și proprietăți mecanice bune. Sunt materiale candidate importante pentru bateriile cu stare solidă. Cu toate acestea, electroliții cu sulfuri au o fereastră electrochimică îngustă, o stabilitate slabă a interfeței cu electrozii pozitivi și negativi și sunt foarte sensibili la umiditate. Poate reacționa cu urme de apă din aer și eliberează hidrogen sulfurat gazos toxic. Producția, transportul și procesarea au cerințe de mediu foarte ridicate. Metodele de modificare, cum ar fi dopajul și acoperirea, pot stabiliza interfața dintre sulfură și electrozii pozitivi și negativi, făcându-le potrivite pentru diferite tipuri de materiale pentru electrozi pozitivi și negativi și chiar folosite în bateriile cu litiu-sulf.
Prepararea bateriilor cu electroliți sulfurați are cerințe ridicate de mediu. Electroliții sulfurați au o conductivitate ridicată sunt relativ moi și pot fi produși prin metode de acoperire. Procesul de producție nu este foarte diferit de procesul de producție existent al bateriei lichide, dar pentru a îmbunătăți contactul interfeței bateriei, este de obicei necesar să se efectueze mai multe presari la cald după acoperire și să se adauge un strat tampon pentru a îmbunătăți contactul interfeței. Electroliții sulfurați sunt foarte sensibili la umiditate și pot reacționa cu urme de apă din aer pentru a genera hidrogen sulfurat de gaz toxic, astfel încât cerințele de mediu pentru fabricarea bateriilor sunt foarte ridicate.
Electrolit polimeric:
Avantaje:siguranță bună, flexibilitate, contact cu interfața și film ușor de format.
Dezavantaje:Conductivitatea ionică este foarte scăzută la temperatura camerei și stabilitatea termică slabă.
Este flexibil și ușor de prelucrat, iar conductivitatea poate fi îmbunătățită prin reticulare, amestecare, altoire și adăugare de plastifianți. Principalele substraturi polimerice utilizate în electroliții polimerici includ PEO, PAN, PVDF, PA, PEC, PPC etc. Principalele săruri de litiu utilizate includ LiPF6, LiFSI, LiTFSI etc. Electroliții polimerici sunt ușor de preparat, au o bună flexibilitate și procesabilitate, și poate fi folosit în produse electronice flexibile sau baterii cu forme neconvenționale. Are un contact fizic bun cu electrozii pozitivi și negativi, iar procesul este relativ apropiat de cel al bateriilor cu litiu existente. Poate fi utilizat cu ușurință în producția de masă de baterii prin transformarea echipamentelor existente. Cu toate acestea, conductibilitatea ionică la temperatura camerei a electroliților polimeri este în general foarte scăzută (<10-6 S/cm). The most common PEO-based polymer electrolyte also has poor oxidation stability and can only be used for LFP-positive electrodes. The room temperature conductivity of polymer electrolytes can be improved by cross-linking, blending, grafting, or adding a small amount of plasticizers with a variety of polymers. In-situ curing can improve the physical contact between the polymer electrolyte and the positive and negative electrodes to the level of liquid batteries. The design of asymmetric electrolytes can broaden the electrochemical window of polymer electrolytes. The battery manufacturing process developed earlier and is relatively mature. The polymer electrolyte layer can be prepared by dry or wet methods. Battery cell assembly is achieved through roll-to-roll compounding between electrodes and electrolytes. Both dry and wet methods are very mature, easy to manufacture large batteries, and are closest to the existing liquid battery preparation methods.
Electrolit halogenură:
Avantaje:rezistență electronică scăzută, selectivitate ridicată a ionilor, stabilitate ridicată de reducere și nu este ușor de spart.
Dezavantaje:Este încă în stadiu de laborator, are stabilitate chimică și stabilitate oxidativă slabă și are rezistență ridicată la ioni.
Datorită avantajelor și dezavantajelor proeminente ale halogenurilor și polimerilor, viitoarea competiție globală pentru bateriile cu stare solidă se va concentra în principal pe oxizi și sulfuri. De fapt, din cauza stabilității sale chimice slabe, tipurile de materiale care pot fi selectate pentru electroliții sulfurați sunt foarte înguste, dar atâta timp cât se găsesc materiale adecvate și progrese în proces, acest neajuns poate fi compensat.
Cu toate acestea, din perspectiva industrializării, procesele complexe vor duce la costuri mai mari și la un plafon de scară, astfel încât electroliții solizi de oxid sunt în prezent curentul principal în dezvoltarea bateriilor cu stare solidă. De la bateriile lichide la bateriile cu stare solidă, va exista o etapă de baterie semisolidă, iar cea mai potrivită în această etapă este calea oxidului. Se datorează performanței sale cuprinzătoare și avantajelor de cost. Bateriile semi-solide pot înlocui bateriile lichide actuale mai rapid, profitând treptat de avantajele și rentabilitatea bateriilor cu stare solidă.
Odată cu progresul tehnologiei, nu este încă clar dacă lumea va fi dominată de oxizi sau sulfuri în viitor. Miezul tehnologiei bateriilor cu stare solidă este cercetarea și dezvoltarea electroliților cu stare solidă. Deși actualele materiale electrolitice solide au făcut progrese mari, ele au încă probleme precum conductivitate slabă, rezistență mare la interfață și costuri mari de preparare. Sunt necesare cercetări de bază continue și progrese tehnologice pentru a îmbunătăți conductivitatea și stabilitatea electroliților solizi.
