У поточній хвилі енергійного розвитку нових енергетичних технологій, твердотільна батарея, як дуже перспективна технологія акумулятора нового покоління, привертала велику увагу від усіх сфер життя. Оскільки вимоги людей до витривалості електронних пристроїв та діапазону руху електромобілів продовжують збільшуватися, і їх акцент на безпеці акумулятора зростає з кожним днем, твердотільна батарея, як очікується, вирішить багато больових точок традиційних рідинних літій-іонних акумуляторів з точки зору безпеки та діапазону. Однак перед його масштабною популяризацією та застосуванням ключове питання затримується у свідомості споживачів: чи безпечний акумулятор та здатність забезпечити дальню дальність? Щоб відповісти на це запитання, нам потрібно заглибитися в робочий механізм, технічні характеристики та поточний дослідницький та статус застосування твердотільних акумуляторів.
Принцип роботи та структурні характеристики твердотільного акумулятора
Різниця в ядрі між твердотільним акумулятором та традиційною рідкою літій-іонною батареєю лежить у вигляді електроліту. Традиційні рідкі літій-іонні батареї використовують рідкий електроліт для досягнення процесу зарядки та розряду через рух іонів літію між позитивними та негативними електродами. Навпаки, твердотільні акумулятори використовують твердий електроліт, який, як правило, виготовляється з керамічних, полімерних або сульфідних матеріалів. У твердотільних акумуляторах іони літію також відокремлюються від позитивного електрода під час зарядки та інтеркальтації в негативний електрод через твердий електроліт; Під час скидання вони рухаються у зворотному напрямку, а електрони надходять від негативного електрода до позитивного електрода через зовнішній ланцюг, генеруючи струм для живлення пристрою.
Використання суцільного електроліту наділяє твердотільні батареї з унікальними структурними характеристиками. Порівняно з рідким електролітом, який потребує сепаратора для запобігання короткого замикання між позитивними та негативними електродами, сам суцільний електроліт має подвійні функції провідності іонів та ізоляції електродів, що робить структуру акумулятора більш компактною. Тим часом твердий електроліт виявляє більш високу стабільність і менш схильний до випаровування та витоку, закладаючи основу для покращення продуктивності безпеки акумулятора.
Безпека продуктивності твердотільного акумулятора
Традиційні рідкі літій-іонні батареї становлять ризик термічного втікача в умовах високої температури. Коли температура акумулятора перевищує певний поріг, наприклад, 80 градусів, рідкий електроліт може розкладатися для отримання легкозаймистих газів, а побічні реакції всередині акумулятора посилюються, що призводить до швидкого накопичення тепла і в кінцевому рахунку, що спричиняє вогонь акумулятора або навіть вибухне. Дані німецького агентства з тестування Tüv чітко виявляють цю приховану небезпеку.
Твердотільні акумулятори демонструють значні переваги теплової стійкості. Через відсутність летких та легкозаймистих рідких компонентів у твердій електроліті, його термічна стійкість значно вища, ніж у рідкого електроліту. Тест на прокол, проведений новою організацією розвитку енергетики та промислових технологій (NEDO) Японії, вражає: коли сталева голка проколює твердий акумулятор, температура акумулятора піднімається лише на 2 градуси, тоді як традиційний рідкий літій-іонний акумулятор загоріться і вибухне лише за 3 секунди. Цей експериментальний результат візуально демонструє чудову безпеку твердотільних акумуляторів перед надзвичайним механічним зловживанням.
У папері під назвою "Чи є твердотільні батареї безпечнішими, ніж (рідкі) літій-іонні батареї?" Опубліковано в науці в квітні 2022 року, дослідники обговорили межі вивільнення тепла та температури рідких літій-іонних акумуляторів, напівзворотні акумулятори з певною кількістю електроліту та акумуляторами, що мають твердо-твердження, за трьома тепловими сценаріями. Дослідження виявило, що в термічному втікачому стані, спричиненому зовнішнім нагріванням, акумулятори, що знаходяться в твердих силах, перевершують напівзосудні та рідкі літій-іонні акумулятори. Висока щільність твердого електроліту в акумуляторних акумуляторах сумолідництва може утворювати ефективний газовий бар'єр, запобігаючи контакту між літієм на негативний електрод та кисень, що виділяється з позитивного електрода. У цьому гіпотетичному сценарії суттєвого вивільнення тепла не було б.
Гальмування зростання дендриту літію
Під час процесу зарядки та розряду традиційних рідких літій-іонних акумуляторів літієві іони можуть безпосередньо кристалізуватися на поверхні негативного електрода під час швидкої зарядки, утворюючи небезпечні дендрити літію. Зростання дендритів літію не тільки призводить до розпаду ємності акумулятора, але також може проколити сепаратор, викликаючи коротке замикання між позитивними та негативними електродами та запускаючи випадки безпеки. Цю приховану небезпеку виявили інженери з CATL.
Твердотільні акумулятори демонструють потенціал при інгібуванні росту дендриту літію. Спеціальна структура та властивості твердого електроліту можуть забезпечити більш рівномірний шлях для міграції іонів літію, зменшуючи можливість утворення дендриту літію. Хоча повністю усунення зростання дендриту літію все ще викликає проблеми в практичних застосуванні, в цьому плані тенденція вдосконалення твердотільних акумуляторів у цьому плані порівняно з рідкими літій-іонними акумуляторами.
Потенційні ризики безпеки
Незважаючи на безліч переваг твердотільних акумуляторів з точки зору безпеки, вони не є абсолютно безпечними. У певних екстремальних випадках, наприклад, коли твердий електроліт виходить з ладу або літієві дендрити проникають у твердий електроліт, викликаючи коротке замикання, безпека всім водоно-державних акумуляторів та напівсолених акумуляторів не перевершує безпеку рідких літій-іонних акумуляторів. Професор Ай Сінпін зі Школи хімії та молекулярних наук університету Вухана вказує, що твердження про те, що акумулятори, що мають твердо-державу, мають як високу щільність енергії, так і хороша безпека, фактично передбачає концептуальну хитрість руки. Оскільки деякі матеріали в твердотільних акумуляторах можуть виробляти токсичні гази, такі як сірководню у разі аварії, хоча вони не спрямовують людей, як традиційні батареї, сірководневий газ є токсичним і може завдати серйозної шкоди людському організму.
Потенціал твердотільного акумулятора в діапазоні
Теоретично твердотільні акумулятори можуть досягти високої щільності енергії, що, як очікується, значно підвищить витривалість пристроїв. Твердий електроліт дозволяє використовувати чистий металевий літію як негативний електрод, що значно збільшує потужність зберігання енергії на одиницю об'єму. Експериментальні дані Інституту біоенергетики та біопроцесу Циндао китайської академії наук показують, що щільність енергії їх твердих зразків акумулятора перевищила 500 ч\/кг, тоді як щільність енергії 21700 акумулятора, що використовується в Tesla Model 3, становить лише 260 ч\/кг.
Входячи з електромобілів, як приклад, дальність водіння завжди була зосередженою увагою споживачів. Акумулятор Kunpeng від Chery, як представник твердотільних акумуляторів, планує досягти щільності енергії 400 ч\/кг у 2024 році та збільшити його до 600 год.\/Кг у 2025 році. Відповідно до плану, коли масовий виробник у 2027 році очікується, що чистий діапазон електромобілів перевищує 1500 км. Якщо ці цілі будуть досягнуті, це значно полегшить тривогу користувачів електромобілів.
Проблеми в фактичному діапазоні
Однак, від лабораторії до практичних застосувань, твердотільні батареї все ще стикаються з деякими проблемами з точки зору діапазону. По -перше, інтерфейс опору між твердим електролітом та електродами є відносно помітним, що схоже на встановлення платної кабінки на шосе, перешкоджаючи швидкій передачі іонів літію та впливаючи на зарядку та ефективність викиду акумулятора, тим самим негативно впливаючи на діапазон. По -друге, фатальний вад сульфідного електроліту, який виробляє високотоксичний сірково водень при вплиді води, не лише збільшує ризики безпеки під час виробництва та використання акумулятора, але й створює серйозні проблеми стабільності та надійності акумулятора. Крім того, низький вихід суцільної підготовки електролітової плівки призводить до високих виробничих витрат у великих масштабах, що обмежує широке застосування твердотільних акумуляторів і опосередковано впливає на процес демонстрації їхніх переваг на великій дальності на ринку.
Висновок та світогляд
Підсумовуючи, твердотільні батареї демонструють значний потенціал з точки зору безпеки та дальності. З точки зору безпеки, їхні переваги термічної стійкості очевидні, і вони можуть ефективно інгібувати ріст дендриту літію, що робить їх більш безпечними та надійними, ніж традиційні рідкі літій-іонні акумулятори в більшості випадків. Однак, в умовах екстремальних ситуацій, таких як тверда несправність електроліту, все ще є певні ризики безпеки. З точки зору діапазону, теоретична перевага високої щільності енергії забезпечує можливість дальньої дальності, а деякі експериментальні дані та корпоративні плани також показують перспективні перспективи. Однак у практичних додатках такі питання, як імпеданс інтерфейсу, дефекти електролітів та вартість, стали перешкодами, що перешкоджають повному реалізації їхніх переваг на далекі дальності.
Незважаючи на те, що стикаються з численними проблемами, твердотільні батареї все ще розглядаються як важливий напрямок розвитку для технологій акумуляторів нового покоління.