Твердотельные батареи: когда «заменители» станут «основными»?

Твердотельные батареипоявляются в качестве источника энергии следующего поколения, но гибридные твердо-жидкостные батареи, скорее всего, выйдут на рынок первыми и выступят в качестве важнейшего моста между сегодняшними жидкими литий-ионными элементами и будущими полностью твердотельными системами.

Что такое твердотельные аккумуляторы

Твердотельные батареи заменяют легковоспламеняющиеся жидкие электролиты твердыми материалами, обеспечивая при этом более высокую плотность энергии и лучшие показатели безопасности. В их катодах могут использоваться высокоэнергетические материалы, такие как соединения на основе марганца, богатые литием, а анод может сочетать наносремний и графит, чтобы повысить плотность энергии до 300–450 Втч/кг.

Твердый электролит переносит ионы лития без риска утечки и значительно снижает вероятность термического выхода из-под контроля.

Аноды большей емкости и высоковольтные катоды дают твердотельным батареям возможность увеличить запас хода в электромобилях и повысить долговечность дронов или систем хранения энергии.

Гибрид твердое тело-жидкость как переход

В статье выделяются жидкие, гибридные твердо-жидкостные и полностью твердотельные литиевые батареи, подчеркивая, что гибридные конструкции являются важным переходным этапом. Полутвердые, квазитвердые и «твердые» батареи, представленные на рынке, в основном попадают в эту гибридную категорию, различаясь только соотношением жидкого и твердого электролита.

Гибридные твердожидкостные батареи по-прежнему содержат некоторое количество жидкого электролита, что улучшает контакт с активными материалами и упрощает производство.

Полностью твердотельные батареи содержат только твердый электролит, что обеспечивает лучшую искробезопасность и более высокую теоретическую плотность энергии, но сегодня сталкивается с более серьезными инженерными проблемами.

Технические барьеры на пути к полностью полупроводниковому

Хотя многие компании и исследовательские институты по всему миру инвестируют в твердотельные технологии, ни один твердотельный элемент питания большой емкости пока не может сравниться с жидкими литий-ионными батареями как по производительности, так и по стоимости. Основная трудность заключается в границе твердого тела и твердого тела, где жесткие материалы электролита затрудняют поддержание тесного контакта с электродами во время циклических циклов и изменений объема.

Текущие направления включают полимерные, тонкопленочные, сульфидные и оксидные твердотельные батареи, каждый из которых имеет свои преимущества и ограничения.

Например, полимерные твердотельные элементы плохо работают при комнатной температуре и с высоковольтными катодами, а сульфидные системы чувствительны к воздуху и требуют сложных производственных условий.

Стратегия затвердевания на месте

Чтобы преодолеть проблемы интерфейса и одновременно использовать существующую литий-ионную инфраструктуру, исследователи предлагают метод затвердевания гибридных твердо-жидких электролитов на месте. Во время сборки клеток жидкий предшественник обеспечивает хорошее смачивание и контакт; позже химические или электрохимические реакции преобразуют всю или часть этой жидкости в твердый электролит внутри клетки.

Этот метод улучшает контакт электрод-электролит, подавляет рост дендритов лития и обеспечивает баланс между безопасностью, высоким напряжением и производительностью быстрой зарядки.

Он также может повторно использовать большую часть текущего процесса производства жидких литий-ионных аккумуляторов, помогая производителям быстрее масштабироваться и снижать затраты.

Будущие направления развития

Эксперты ожидают, что для полноценной крупномасштабной коммерциализации полностью твердотельных литиевых батарей потребуется еще примерно пять лет, поэтому гибридные твердотельные и жидкостные аккумуляторы остаются реалистичным вариантом развития в ближайшем будущем. В статье подчеркивается необходимость скоординированного прогресса в области материалов, конструкции элементов, производства и стандартов для ускорения индустриализации.

Приоритеты включают: разработку твердых электролитов со сбалансированной ионной проводимостью, стабильностью и технологичностью; согласование высокоэнергетических электродов, таких как катоды с высоким содержанием никеля и кремний-углеродные или литий-металлические аноды; и интеграция цифрового моделирования с интеллектуальным производством.

Промышленности рекомендуется создавать надежные цепочки поставок ключевых материалов, инвестировать в автоматизированное оборудование, совершенствовать системы тестирования и оценки и постепенно переходить от гибридного твердого и жидкого топлива. литий-ионные аккумуляторыпереход к полностью твердотельным литий-металлическим батареям.