У тренутном таласу снажног развоја нових енергетских технологија, чврсте батерије, као високо обећавајућа технологија батерије за следећу генерацију, привукла је велику пажњу свих слојева живота. Као услови људи за издржљивост електронских уређаја и возила за покретање електричних возила и даље се повећавају, а њихов нагласак на расту батерије наступију дању, на дан, чврста батерија је високо очекивана да би се у смислу безбедности и опсега и распона батерија и распона батерија и распона. Међутим, пре него што је велика популаризација и апликација, кључна питања која држи у обзир потрошаче: је сигурна батерија од чврстог стања и способна да пружи дугорочно? Да бисмо одговорили на ово питање, морамо да се задржимо у радном механизму, техничким карактеристикама и тренутним истраживањима и статусу апликације батерије.
Принцип рада и структурне карактеристике батерије на чврстом стању
Основна разлика између чврстих батерија и традиционалне течне литијум-јонске батерије лежи у облику електролита. Традиционалне течне литијум-јонске батерије користе течни електролит за постизање процеса пуњења и пражњења кроз кретање литијум јона између позитивних и негативних електрода. Супротно томе, чврсте батерије користе чврсти електролит, који је обично направљен од керамичких, полимерних или сулфидних материјала. У батеријама од чврстог стате, литијум ионси и двострукију се из позитивне електроде током пуњења и међусобно повезују у негативну електроду кроз чврсти електролит; Током испуштања, крећу се у супротном смеру, док електрони пролазе из негативне електроде до позитивне електроде кроз спољни круг, генерисање струје за напајање уређаја.
Употреба чврстих електролита доноси батерије од чврстог стања са јединственим структурним карактеристикама. У поређењу са течним електролитом, који захтева сепаратор да се спречи краткорочно спојевање између позитивних и негативних електролита, сама чврстог електролита има двоструке функције ИОН-ове проводљивости и изолације електроде, чинећи структуру батерије компактније. У међувремену, чврсти електролит показује већу стабилност и мање је склони испализацији и цурилизацији, постављајући темеље за побољшање перформанси сигурности батерије.
Сигурносни перформансе чврсте батерије
Традиционалне течне литијум-јонске батерије представљају ризик од топлотног бежања под високим температурама. Када температура батерије пређе одређени праг, као што је 80 степени, течни електролит може се распростратио да произведе запаљиве гасове и бочне реакције унутар батерије, што је довело до брзе нагомилавање топлоте и на крају узрокујући да батерија уђе да се батерија може ухватити или чак експлодирати. Подаци из немачке Агенције за тестирање ТУВ-а јасно откривају ову скривену опасност.
Батерије од чврстог стања показују значајне предности у топлотној стабилности. Због одсуства испарљивих и запаљивих течних компоненти у чврстом електролиту, његова топлотна стабилност је много већа од течног електролита. Тест пункције које је спровео новом енергетском и индустријском технолошком организацијом Јапана је импресиван: када се челична игла пробите чврсту батерију, температура батерије само се повећава само за 2 степена, док ће традиционална течна литијум-јонска батерија запалити и експлодирати у само 3 секунде. Овај експериментални резултат визуелно показује врхунску сигурност чврстих батерија у лице екстремних механичких злостављања.
У папиру под називом "су чврсте батерије сигурније од (течне) литијум-јонске батерије?" Објављено у науци у априлу 2022. године, истраживачи су разговарали о ограничењу топлоте и границама пораста температуре, получврсте батеријама са одређеном количином електролита и све-чврстих батерија под три термалне сценарије. Студија је открила да је у топлотној бекству узрокованој спољним грејањем, све-чврстим батеријама, употпуне получврсте и течне литијум-јонске батерије. Висока густина чврстих електролита у свим-чврстим батеријама може да формира ефикасну гасну баријеру, спречавање контакта литијума на негативној електроди и кисеонику ослобођен из позитивне електроде. У овом хипотетичком сценарију не би било значајног ослобађања топлоте.
Инхибиција раста литијум-дендрита
Током процеса пуњења и пражњења традиционалних течних литијум-јонских батерија, литијум-јони могу директно кристализирати на површини негативне електроде током брзог пуњења, формирајући опасне литијум дендрите. Раст литијум-дендрити-а не само доводи до пропадања капацитета батерије, али може такође пробити сепаратор, узрокујући кратак круг између позитивних и негативних електрода и покретање безбедносног инцидента. Ову скривену опасност открили су инжењери из ЦАТЛ-а.
Батерије од чврстог стања показују потенцијал у инхибицији раста литијум-дендрита. Посебна структура и својства чврстих електролита могу пружити уједначени пут за миграцију литијум јона, смањујући могућност формирања литијум дендрита. Иако у потпуности елиминисајући раст литијум-дендрита и даље представља изазове у практичним применама, тренд побољшања чврстих батерија у том погледу је видљив у поређењу са течним литијум-јонским батеријама.
Потенцијалне безбедносне ризике
Упркос многим предностима батерија на чврстом стању у погледу безбедности, нису апсолутно сигурни. У одређеним екстремним случајевима, као што су чврсти електролит не успе или литијум дендрите продире у чврсти електролит, изазивање кратког круга, сигурност свих чврстих батерија и получврсте батерија и получврсте батерија није супериорна од течне литијум-јонске батерије. Професор Аи Ксинпинг из школе хемије и молекуларних наука на Универзитету Вухан истиче да тврдња да све-чврсте батерије имају и високу густину енергије и добра сигурност заправо укључује концептуални сагнута рука. Пошто неки материјали у чврстим батеријама могу произвести токсичне гасове као што су водоник сулфид у случају несреће, иако неће директно сагоревати људе попут традиционалних батерија, гас водоника је токсичан и може проузроковати озбиљну штету људском телу.
Потенцијал чврсте батерије у домету
У теорији, чврсте батерије имају потенцијал да постигне велику густину енергије, што се очекује да ће значајно побољшати издржљивост уређаја. Чврсти електролит омогућава употребу чисте металне литијума као негативне електроде, што значајно повећава капацитет складиштења енергије по јединици запремине. Експериментални подаци компаније Кингдао Институт за биоенергију и биопроцесу технологије кинеске академије наука показују да је енергетска густина њихових узорака батерије од чврстог државног батерије премашила 500Вх \/ кг, док је густина енергије у Тесли моделу 3 само 260Вх \/ кг.
Узимање електричних возила као примера, асортиман вожње увек је био фокус пажње потрошача. Кунпенг батерија из Цхери-а, као представника чврстих државних батерија, планира да се постигне густина енергије од 400Вх \/ кг у 2024. години и повећава га на 600Вх \/ кг 2025. Према плану, када се очекује да се масовно произведено у 2027. години, очекује се да је масовно произведено у 2027. години, чисте електрична возила за вожњу прелазити 1500км. Ако се ови циљеви постигну, у великој мери ће ублажити асортиман анксиозности корисника електричних возила.
Изазови у стварном распону
Међутим, из лабораторије до практичних апликација, чврсте батерије и даље се суочавају са неким изазовима у погледу распона. Прво, сучеље импеданса између чврстих електролита и електрода је релативно изражена, што је слично постављањем путарине на аутопуту, ометајући брзи пренос литијумских јона и утицало на ефикасност пуњења батерије и пражњења батерије, тако негативно утичући на то. Друго, фатална мана сулфида електролита, која производи високо токсични водоник сулфид када је изложена води, не само да повећава ризик безбедности током производње и употребе батерије, већ и представља озбиљне изазове стабилности и поузданости батерије. Поред тога, низак принос припреме за филм од чврстог електролита доводи до високих трошкова производње у великој мјери, ограничавајући широку примену батерија од чврстог стања и индиректно да утичу на процес демонстрације њихових дуготрајних предности на тржишту.
Закључак и изгледи
Укратко, батерије од чврстог држања показују значајан потенцијал у смислу безбедности и распона. Што се тиче сигурности, њихове предности топлотне стабилности су очигледне и могу ефикасно инхибирати раст литијум-дендрита, чинећи их је сигурнијим и поузданим од традиционалних течних литијум-јонских батерија у већини случајева. Међутим, у лице екстремних ситуација, као што су неуспех чврстог електролита, још увек постоје одређени ризици безбедности. У погледу распона, теоријска предност велике густине енергије омогућава могућност дугог домета и неки експериментални подаци и корпоративне планове такође показују обећавајуће изгледе. Међутим, у практичним применама, питања попут импеданције сучеља, оштећења електролита и трошкови постали су препреке ометајући потпуну реализацију њихових дугорочних предности.
Упркос суочавању са бројним изазовима, чврсте батерије се и даље сматрају важним правцем развоја за технологије батерије за следеће генерације.