In de huidige golf van krachtige ontwikkeling van nieuwe energietechnologieën, heeft solid-state batterij, als een veelbelovende batterijtechnologie voor de volgende generatie, uitgebreide aandacht getrokken uit alle lagen van de bevolking. Aangezien de vereisten van mensen voor het uithoudingsvermogen van elektronische apparaten en het rijbereik van elektrische voertuigen blijven toenemen, en hun nadruk op de prestaties van de batterijveiligheid met de dag groeit, wordt de batterij van Solid-State zeer verwacht om veel pijnpunten van traditionele vloeibare lithium-ionbatterijen aan te pakken in termen van veiligheid en bereik. Vóór de grootschalige popularisatie en toepassing ervan blijft een belangrijke vraag in de hoofden van de consument bestaan: is solid-state batterij veilig en in staat om lange afstand te bieden? Om deze vraag te beantwoorden, moeten we ons verdiepen in het werkmechanisme, de technische kenmerken en het huidige onderzoeks- en applicatiestatus van vaste toestand batterijen.
Werkprincipe en structurele kenmerken van vaste toestand batterij
Het kernverschil tussen batterij van vaste toestand en de traditionele vloeibare lithium-ionbatterij ligt in de vorm van elektrolyt. Traditionele vloeibare lithium-ionbatterijen maken gebruik van vloeibare elektrolyt om het laad- en ontlaadproces te bereiken door de beweging van lithiumionen tussen de positieve en negatieve elektroden. Solid-state batterijen daarentegen gebruiken vaste elektrolyt, die meestal is gemaakt van keramische, polymeer- of sulfidematerialen. In vaste statenbatterijen deintercaleren lithiumionen ook van de positieve elektrode tijdens het opladen en intercaleren in de negatieve elektrode door de vaste elektrolyt; Tijdens het ontladen bewegen ze in de tegenovergestelde richting, terwijl elektronen van de negatieve elektrode naar de positieve elektrode door het externe circuit stromen, waardoor stroom wordt gegenereerd om het apparaat te voeden.
Het gebruik van vaste elektrolyt schenkt vaste toestand batterijen met unieke structurele kenmerken. Vergeleken met vloeibare elektrolyt, die een scheider vereist om kortsluiting tussen de positieve en negatieve elektroden te voorkomen, heeft vaste elektrolyt zelf de dubbele functies van iongeleiding en elektrode-isolatie, waardoor de batterijstructuur compacter wordt. Ondertussen vertoont vaste elektrolyt een hogere stabiliteit en is minder vatbaar voor vervluchtiging en lekkage, waardoor een foundation wordt gelegd voor verbeterde veiligheidsprestaties van de batterij.
Veiligheidsprestaties van vaste toestand batterij
Traditionele vloeibare lithium-ionbatterijen vormen een risico op thermische wegloper onder omstandigheden op hoge temperatuur. Wanneer de batterijtemperatuur een bepaalde drempel overschrijdt, zoals 80 graden, kan de vloeibare elektrolyt ontbinden om brandbare gassen te produceren en bij de batterijen in de batterij intensivering, wat leidt tot een snelle accumulatie van warmte en uiteindelijk de batterij in brand vat of zelfs ontploft. Gegevens van het Duitse Tüv -testbureau onthullen duidelijk dit verborgen gevaar.
Solid-state batterijen vertonen aanzienlijke voordelen bij thermische stabiliteit. Vanwege de afwezigheid van vluchtige en ontvlambare vloeibare componenten in vaste elektrolyt, is de thermische stabiliteit veel hoger dan die van vloeibare elektrolyt. De prik test uitgevoerd door de nieuwe Energy and Industrial Technology Development Organisation (NEDO) van Japan is indrukwekkend: wanneer een stalen naald door een batterij van vaste toestand lukt, stijgt de batterijtemperatuur slechts met 2 graden, terwijl een traditionele vloeibare lithium-ionbatterij binnen slechts 3 seconden zal vangen en explodeert. Dit experimentele resultaat toont visueel de superieure veiligheid van solid-state batterijen aan in het licht van extreem mechanisch misbruik.
In een papier getiteld "Zijn vaste statenbatterijen veiliger dan (vloeibare) lithium-ionbatterijen?" Onderzoekers gepubliceerd in de wetenschap in april 2022, bespraken onderzoekers de hitteafgifte en temperatuurstijgingslimieten van vloeibare lithium-ionbatterijen, semi-vaste batterijen met een bepaalde hoeveelheid elektrolyt en alle solid-state batterijen onder drie thermische weggelopen scenario's. Uit de studie bleek dat in de thermische weggelopen toestand veroorzaakt door externe verwarming, alle solid-state batterijen beter presteren dan semi-vaste en vloeibare lithium-ionbatterijen. De hoge dichtheid van vaste elektrolyt in all-solid-state batterijen kan een effectieve gasbarrière vormen, waardoor het contact tussen lithium op de negatieve elektrode en zuurstof wordt afgegeven uit de positieve elektrode. In dit hypothetische scenario zou er geen significante warmteafgifte zijn.
Remming van lithiumdendrietgroei
Tijdens het laad- en ontlaadproces van traditionele vloeibare lithium-ionbatterijen kunnen lithiumionen direct op het oppervlak van de negatieve elektrode kristalliseren tijdens snel opladen, waardoor gevaarlijke lithiumdendrieten worden gevormd. De groei van lithiumdendrieten leidt niet alleen tot verval van de batterijcapaciteit, maar kan ook de scheider onderdrukken, waardoor een kortsluiting tussen de positieve en negatieve elektroden wordt veroorzaakt en een veiligheidsincident wordt geactiveerd. Dit verborgen gevaar werd onthuld door ingenieurs van CATL.
Solid-state batterijen tonen potentieel bij het remmen van de groei van de lithiumdendriet. De speciale structuur en eigenschappen van vaste elektrolyt kunnen een meer uniform pad bieden voor lithium -ionmigratie, waardoor de mogelijkheid van lithiumdendrietvorming wordt verminderd. Hoewel het volledig elimineren van lithiumdendrietgroei nog steeds uitdagingen vormt in praktische toepassingen, is de verbeteringstrend van vaste toestand batterijen in dit opzicht duidelijk in vergelijking met vloeibare lithium-ionbatterijen.
Potentiële veiligheidsrisico's
Ondanks de vele voordelen van solid-state batterijen in termen van veiligheid, zijn ze niet absoluut veilig. In bepaalde extreme gevallen, zoals wanneer de vaste elektrolyt faalt of lithiumdendrieten de vaste elektrolyt binnendringen, waardoor een kortsluiting wordt veroorzaakt, is de veiligheid van alle solid-state batterijen en semi-vaste batterijen niet superieur aan die van vloeibare lithium-ionbatterijen. Professor Ai Xinping van de School of Chemistry and Molecular Sciences aan de Wuhan University wijst erop dat de bewering dat batterijen met alle solid-toestand zowel een hoge energiedichtheid als goede veiligheid hebben in feite een conceptuele handigheid. Omdat sommige materialen in vaste statenbatterijen giftige gassen kunnen produceren, zoals waterstofsulfide in het geval van een ongeval, hoewel ze niet direct mensen zoals traditionele batterijen zullen verbranden, is waterstofsulfidegas giftig en kan het menselijk lichaam ernstige schade toebrengen.
Potentieel van vaste toestand batterij in bereik
In theorie hebben vaste statenbatterijen het potentieel om een hoge energiedichtheid te bereiken, wat naar verwachting het uithoudingsvermogen van apparaten aanzienlijk zal verbeteren. Solid elektrolyt maakt het gebruik van zuiver metaallithium mogelijk als de negatieve elektrode, die de energieopslagcapaciteit per volume -eenheid aanzienlijk verhoogt. Experimentele gegevens van het Qingdao Institute of Bio-Energy and Bioprocess Technology van de Chinese Academie van Wetenschappen tonen aan dat de energiedichtheid van hun solid-state batterijmonsters 500Wh/kg heeft overschreden, terwijl de energiedichtheid van de 21700-batterij die in Tesla Model 3 is gebruikt, slechts 260WH/KG is.
Als voorbeeld elektrische voertuigen nemen, is het rijbereik altijd een focus geweest van de aandacht van de consument. Kunpeng-batterij uit Chery, als een vertegenwoordiger van vaste statenbatterijen, is van plan om in 2024 een energiedichtheid van 400Wh/kg te bereiken en deze te verhogen tot 600wh/kg in 2025. Volgens het plan, wanneer massa geproduceerd in 2027, zal het zuivere elektrische rijbereik naar verwachting 1500 km. Als deze doelen worden bereikt, zal dit de reeks angst van gebruikers van elektrische voertuigen sterk verlichten.
Uitdagingen in het werkelijke bereik
Van het laboratorium tot praktische toepassingen, echter worden vaste statenbatterijen nog steeds voor een aantal uitdagingen voor het bereik. Ten eerste is de interface -impedantie tussen vaste elektrolyt en elektroden relatief prominent, wat verwant is aan het opzetten van een tolhok op een snelweg, waardoor de snelle transmissie van lithiumionen wordt belemmerd en de batterij beïnvloedt en de efficiëntie van de batterij beïnvloedt, waardoor het bereik een negatieve invloed heeft op het bereik. Ten tweede, de fatale fout van sulfide -elektrolyt, die zeer toxische waterstofsulfide produceert wanneer het wordt blootgesteld aan water, verhoogt niet alleen de veiligheidsrisico's tijdens de productie en het gebruik van de batterij, maar vormt ook ernstige uitdagingen voor de stabiliteit en betrouwbaarheid van de batterij. Bovendien leidt de lage opbrengst van vaste elektrolytfilmbereiding op grote productiekosten op grote schaal, waardoor de wijdverbreide toepassing van vaste toestandsbatterijen wordt beperkt en indirect het proces van het aantonen van hun langdurige voordelen in de markt beïnvloedt.
Conclusie en vooruitzichten
Samenvattend vertonen vaste toestand batterijen aanzienlijk potentieel in termen van veiligheid en bereik. Wat de veiligheid betreft, zijn hun voordelen van thermische stabiliteit duidelijk en kunnen ze de groei van de lithiumdendriet effectief remmen, waardoor ze in de meeste gevallen veiliger en betrouwbaar zijn dan traditionele vloeibare lithium-ionbatterijen. In het licht van extreme situaties zoals vaste elektrolytfalen, zijn er echter nog steeds bepaalde veiligheidsrisico's. In termen van bereik biedt het theoretische voordeel van hoge energiedichtheid de mogelijkheid voor lange afstand, en sommige experimentele gegevens en bedrijfsplannen tonen ook veelbelovende prospects. In praktische toepassingen zijn problemen zoals interface-impedantie, elektrolytdefecten en kosten echter obstakels geworden die de volledige realisatie van hun voordelen op lange afstand belemmeren.
Ondanks het feit dat ze voor tal van uitdagingen worden geconfronteerd, worden solid-state batterijen nog steeds beschouwd als een belangrijke ontwikkelingsrichting voor batterijtechnologieën van de volgende generatie.