Szilárdtest-akkumulátorok: Mikor lesznek a „helyettesítők” „főtartók”?

Szilárdtest akkumulátorokA következő generációs energiaforrásokká válnak, de valószínűleg a hibrid szilárd-folyékony akkumulátorok kerülnek először kereskedelmi forgalomba, és kulcsfontosságú hidat képeznek a mai folyékony lítium-ion cellák és a jövőbeni szilárdtest-rendszerek között.

Mik azok a szilárdtest akkumulátorok

A szilárdtest akkumulátorok a gyúlékony folyékony elektrolitokat szilárd anyagokkal helyettesítik, miközben nagyobb energiasűrűséget és jobb biztonsági teljesítményt tesznek lehetővé. Katódjaik nagy energiájú anyagokat, például lítiumban gazdag mangánalapú vegyületeket használhatnak, míg az anód nano-szilíciumot és grafitot kombinálva 300-450 Wh/kg energiasűrűséget képes elérni.

A szilárd elektrolit lítium-ionokat hordoz szivárgási kockázat nélkül, és jelentősen csökkenti a termikus kifutás valószínűségét.

A nagyobb kapacitású anódok és a nagyfeszültségű katódok lehetővé teszik a szilárdtest-akkumulátorok számára, hogy hosszabb hatótávolságot érjenek el elektromos járművekben, és javítsák az állóképességet a drónokban vagy az energiatároló rendszerekben.

Hibrid szilárd-folyékony átmenetként

A cikk megkülönbözteti a folyékony, a hibrid szilárd-folyékony és a teljesen szilárdtest lítium akkumulátorokat, hangsúlyozva, hogy a hibrid kialakítások lényeges átmeneti szakaszt jelentenek. A piacon kapható félszilárd, kvázi szilárd és „szilárd” akkumulátorok nagyrészt ebbe a hibrid kategóriába tartoznak, csak a folyadék és a szilárd elektrolit arányában különböznek egymástól.

A hibrid szilárd-folyékony akkumulátorok még mindig tartalmaznak folyékony elektrolitot, ami javítja az aktív anyagokkal való érintkezést és megkönnyíti a gyártást.

A teljes szilárdtest akkumulátorok csak szilárd elektrolitot tartalmaznak, ami jobb belső biztonságot és nagyobb elméleti energiasűrűséget kínál, de manapság komolyabb műszaki kihívásokkal kell szembenéznie.

A teljes szilárdtest állapot technikai akadályai

Bár világszerte sok vállalat és kutatóintézet fektet be a szilárdtest-technológiába, még egyetlen nagy kapacitású szilárdtestalapú energiacella sem felel meg a folyékony lítium-ion akkumulátoroknak mind teljesítményben, mind költségben. A fő nehézség a szilárd-szilárd felületen rejlik, ahol a merev elektrolit anyagok megnehezítik az elektródákkal való bensőséges érintkezést ciklus közben és térfogatváltozások közben.

A jelenlegi megoldások közé tartoznak a polimer, vékonyfilm, szulfid és oxid szilárdtest akkumulátorok, amelyek mindegyikének külön előnyei és korlátai vannak.

Például a polimer szilárdtest cellák szobahőmérsékleten és nagyfeszültségű katódokkal küszködnek, míg a szulfid rendszerek érzékenyek a levegőre, és szigorú gyártási körülményeket igényelnek.

In situ megszilárdítási stratégia

A meglévő lítium-ion infrastruktúra kihasználása mellett az interfész problémák megoldása érdekében a kutatók in situ szilárdítási megközelítést javasolnak a hibrid szilárd-folyékony elektrolitokhoz. A cella összeszerelése során egy folyékony prekurzor biztosítja a jó nedvesítést és érintkezést; később kémiai vagy elektrokémiai reakciók ezt a folyadékot vagy annak egy részét szilárd elektrolittá alakítják a cellában.

Ez a módszer javítja az elektróda-elektrolit érintkezést, elnyomja a lítium-dendrit növekedését, és egyensúlyba hozza a biztonságot, a magas feszültséget és a gyorstöltési teljesítményt.

A jelenlegi folyékony lítium-ion gyártási folyamat nagy részét is újra fel tudja használni, segítve a gyártókat a gyorsabb méretezésben és a költségek csökkentésében.

A jövőbeni fejlesztési irányok

A szakértők arra számítanak, hogy a teljesen szilárdtest lítium akkumulátoroknak nagyjából még öt évre lesz szükségük a valódi nagyszabású kereskedelmi forgalomba hozatalig, így a hibrid szilárd-folyékony akkumulátorok továbbra is reális rövid távú megoldást jelentenek. Az iparosodás felgyorsítása érdekében a cikk kiemeli az anyagok, a cellatervezés, a gyártás és a szabványok összehangolt előrehaladásának szükségességét.

A prioritások a következők: kiegyensúlyozott ionvezetőképességű, stabilitású és feldolgozhatóságú szilárd elektrolitok fejlesztése; megfelelő nagy energiájú elektródák, például nagy nikkeltartalmú katódok és szilícium-szén vagy lítium fémanódok; és a digitális szimuláció integrálása az intelligens gyártással.

Az ipart arra ösztönzik, hogy építsen ki robusztus ellátási láncokat a kulcsfontosságú anyagokhoz, fektessenek be automatizált berendezésekbe, finomítsák a tesztelési és értékelési rendszereket, és fokozatosan fejlődjenek a hibrid szilárd-folyadékból. lítium-ion akkumulátorokteljesen szilárdtest lítium fém akkumulátorok felé.