Kietojo kūno baterijos: kada „pakaitalai“ taps „pagrindiniais elementais“?

Kietojo kūno akumuliatoriaitampa naujos kartos energijos šaltiniu, tačiau hibridiniai kietojo ir skysčio akumuliatoriai greičiausiai bus pradėti komercializuoti pirmiausia ir bus esminis tiltas tarp šiandieninių skystų ličio jonų elementų ir būsimų kietojo kūno sistemų.

Kas yra kietojo kūno akumuliatoriai

Kietojo kūno baterijos pakeičia degius skystus elektrolitus kietomis medžiagomis, tuo pačiu užtikrindamos didesnį energijos tankį ir geresnes saugos savybes. Jų katoduose gali būti naudojamos didelės energijos medžiagos, tokios kaip ličio turintys mangano junginiai, o anodas gali sujungti nano silicį ir grafitą, kad energijos tankis būtų 300–450 Wh/kg.

Kietas elektrolitas perneša ličio jonus be nuotėkio rizikos ir žymiai sumažina šiluminio pabėgimo tikimybę.

Didesnės talpos anodai ir aukštos įtampos katodai suteikia kietojo kūno baterijoms galimybę važiuoti ilgiau elektrinėse transporto priemonėse ir pagerinti dronų ar energijos kaupimo sistemų patvarumą.

Hibridinis kietas-skystis kaip perėjimas

Straipsnyje išskiriamos skystos, hibridinės kietos ir skystos ir visos kietojo kūno ličio baterijos, pabrėžiant, kad hibridinės konstrukcijos yra esminis pereinamasis etapas. Rinkoje esantys pusiau kieti, pusiau kieti ir „kieti“ akumuliatoriai iš esmės patenka į šią hibridinę kategoriją, skiriasi tik skysčio ir kieto elektrolito santykiu.

Hibridiniuose kietojo ir skysčio akumuliatoriuose vis dar yra šiek tiek skysto elektrolito, kuris pagerina kontaktą su aktyviomis medžiagomis ir palengvina gamybą.

Visuose kietojo kūno akumuliatoriuose yra tik kietas elektrolitas, todėl jie užtikrina geresnę vidinę saugą ir didesnį teorinį energijos tankį, tačiau šiandien susiduria su sunkesniais inžineriniais iššūkiais.

Techninės kliūtys visiškam kietajam būviui

Nors daugelis kompanijų ir tyrimų institutų visame pasaulyje investuoja į kietojo kūno technologijas, nė vienas didelės talpos kietojo kūno maitinimo elementas dar neprilygsta skystų ličio jonų akumuliatorių našumu ir kaina. Pagrindinis sunkumas kyla dėl kieto ir kieto paviršiaus sąsajos, kur dėl standžių elektrolitų medžiagų sunku palaikyti glaudų kontaktą su elektrodais važiuojant ciklu ir keičiant tūrį.

Dabartiniai maršrutai apima polimerines, plonasluoksnes, sulfidines ir oksidines kietojo kūno baterijas, kurių kiekviena turi skirtingų privalumų ir apribojimų.

Pavyzdžiui, polimerinės kietojo kūno ląstelės kovoja kambario temperatūroje ir su aukštos įtampos katodais, o sulfidinės sistemos yra jautrios orui ir reikalauja sudėtingų gamybos sąlygų.

In situ kietėjimo strategija

Norėdami išspręsti sąsajos problemas ir panaudoti esamą ličio jonų infrastruktūrą, mokslininkai siūlo hibridinių kietųjų ir skystųjų elektrolitų kietėjimo metodą in situ. Ląstelių surinkimo metu skystas pirmtakas užtikrina gerą drėkinimą ir kontaktą; vėliau cheminės ar elektrocheminės reakcijos visą arba dalį šio skysčio paverčia kietu elektrolitu ląstelės viduje.

Šis metodas pagerina elektrodo ir elektrolito kontaktą, slopina ličio dendrito augimą ir subalansuoja saugumą, aukštą įtampą ir greitą įkrovimą.

Jis taip pat gali pakartotinai panaudoti didžiąją dalį dabartinio skysto ličio jonų gamybos proceso, padedant gamintojams greičiau plėsti mastą ir sumažinti išlaidas.

Ateities plėtros kryptys

Ekspertai tikisi, kad visiškai kietojo kūno ličio akumuliatoriams prireiks dar maždaug penkerių metų iki tikro didelio masto komercializavimo, todėl hibridinės kietojo ir skysčio galios baterijos išliks realus artimiausio laikotarpio būdas. Siekiant paspartinti industrializaciją, straipsnyje pabrėžiamas suderintos medžiagų, elementų projektavimo, gamybos ir standartų pažangos poreikis.

Prioritetai yra šie: kietųjų elektrolitų su subalansuotu joniniu laidumu, stabilumu ir apdirbamumu kūrimas; suderinamus didelės energijos elektrodus, tokius kaip daug nikelio turintys katodai ir silicio-anglies arba ličio metalo anodai; ir skaitmeninio modeliavimo integravimą su išmaniąja gamyba.

Pramonė raginama kurti tvirtas pagrindinių medžiagų tiekimo grandines, investuoti į automatizuotą įrangą, tobulinti bandymų ir vertinimo sistemas ir palaipsniui pereiti nuo hibridinio kieto ir skysčio ličio jonų baterijoslink visiškai kietojo ličio metalo baterijų.