Mengapakah bateri keadaan pepejal menjadi trend industri?
Keselamatan tinggi:
Isu keselamatan bateri cecair sentiasa dikritik. Elektrolit mudah terbakar di bawah suhu tinggi atau kesan teruk. Di bawah arus tinggi, dendrit litium juga akan kelihatan menembusi pemisah dan menyebabkan litar pintas. Kadangkala elektrolit mungkin mengalami tindak balas sampingan atau terurai pada suhu tinggi. Kestabilan haba elektrolit cecair hanya boleh dikekalkan sehingga 100 darjah, manakala elektrolit pepejal oksida boleh mencapai 800 darjah, dan sulfida dan halida juga boleh mencapai 400 darjah. Oksida pepejal lebih stabil daripada cecair, dan kerana bentuk pepejalnya, rintangan hentamannya jauh lebih tinggi daripada cecair. Oleh itu, bateri keadaan pepejal boleh memenuhi keperluan orang ramai untuk keselamatan.
Ketumpatan tenaga tinggi:
Pada masa ini, bateri keadaan pepejal tidak mencapai ketumpatan tenaga melebihi bateri cecair, tetapi secara teorinya bateri keadaan pepejal boleh mencapai ketumpatan tenaga yang sangat tinggi. Bateri keadaan pepejal tidak perlu dibalut dengan cecair untuk mengelakkan kebocoran seperti bateri cecair. Oleh itu, cengkerang berlebihan, filem pembalut, bahan pelesapan haba, dan lain-lain boleh dihapuskan, dan ketumpatan tenaga boleh dipertingkatkan dengan banyak.
Kuasa tinggi:
Ion litium dalam bateri cecair dibawa melalui pengaliran, manakala ion litium dalam bateri keadaan pepejal adalah melalui pengaliran lompat, yang lebih pantas dan mempunyai kadar cas dan nyahcas yang lebih tinggi. Pengecasan pantas sentiasa menjadi kesukaran dalam teknologi bateri cecair, kerana litium akan dimendakan jika kelajuan pengecasan terlalu cepat, tetapi masalah ini tidak wujud dalam bateri keadaan pepejal.
Prestasi suhu rendah:
Bateri cecair biasanya berfungsi secara stabil pada -10 darjah hingga 45 darjah , tetapi julat pelayarannya semakin berkurangan pada musim sejuk. Suhu pengendalian elektrolit pepejal adalah antara -30 darjah dan 100 darjah , jadi tiada pengurangan hayat bateri kecuali di kawasan yang sangat sejuk dan tiada sistem pengurusan haba yang kompleks diperlukan.
Jangka hayat yang panjang:
Antara bateri cecair, hayat purata bateri terner ialah 500-1000 kitaran dan hayat litium besi fosfat boleh mencapai 2000 kitaran. Keadaan pepejal filem nipis boleh mencapai 45,000 kitaran pada masa hadapan dan jangka hayat 5C dalam makmal boleh mencapai 10,000 kali. Apabila kos pengeluaran ketumpatan tenaga yang sama boleh disatukan, keberkesanan kos bateri keadaan pepejal tidak dapat ditandingi.
Perbandingan 4 elektrolit tak organik pepejal
Jenis bahan elektrolit pepejal boleh dibahagikan kepada empat kategori: oksida, sulfida, polimer, dan halida. Setiap daripada empat jenis elektrolit ini mempunyai sifat fizikal dan kimia yang berbeza, yang menentukan kesukaran R&D, pengeluaran dan perindustrian serta kedudukan pasaran masa depannya.
Elektrolit Oksida:
Kelebihan: Kekonduksian ionik berada di tengah, dan ia mempunyai kestabilan elektrokimia terbaik, kestabilan mekanikal dan kestabilan terma. Ia boleh disesuaikan dengan bahan katod voltan tinggi dan anod litium logam. Kekonduksian elektronik dan selektiviti ion yang sangat baik. Pada masa yang sama, tahap kesinambungan peralatan dan kos pembuatan juga mempunyai kelebihan yang besar. Keupayaan komprehensif adalah yang paling komprehensif.
Kelemahan: Kestabilan pengurangan adalah rendah sedikit, rapuh dan boleh menyebabkan keretakan.
Elektrolit oksida mempunyai kekuatan mekanikal yang tinggi, kestabilan haba dan udara yang baik, dan tingkap elektrokimia yang luas. Elektrolit oksida boleh dibahagikan kepada keadaan kristal dan amorf. Elektrolit kristal oksida biasa termasuk jenis perovskit, jenis LISICON, jenis NASICON dan jenis garnet. Elektrolit oksida boleh menahan voltan tinggi, mempunyai suhu penguraian yang tinggi, dan mempunyai kekuatan mekanikal yang baik. Walau bagaimanapun, kekonduksian ionik suhu biliknya adalah rendah (<10-4 S/cm), it has poor contact with the solid-solid interface of the positive and negative electrodes, and it is usually thick (>200μm), yang sangat mengurangkan ketumpatan tenaga isipadu bateri. Melalui doping unsur dan pengubahsuaian sempadan butiran, kekonduksian suhu bilik elektrolit oksida boleh ditingkatkan kepada susunan 10-3 S/cm. Mengawal isipadu kristal dan menambah salutan polimer boleh meningkatkan hubungan antara muka antara elektrolit oksida dan elektrod positif dan negatif. Membran elektrolit pepejal ultranipis boleh dihasilkan melalui kaedah salutan larutan/slurry.
Elektrolit sulfida:
Kelebihan: kekonduksian ion tertinggi, rintangan sempadan butiran kecil, kemuluran yang baik, dan pemilihan ion yang baik.
Kelemahan: kestabilan kimia yang lemah, akan bertindak balas dengan logam litium, dan mudah bertindak balas dengan udara lembap. Kosnya lebih tinggi dan sifat mekanikalnya kurang baik. Pada masa ini, pengeluaran masih perlu dijalankan dalam kotak sarung tangan, menyukarkan pengeluaran besar-besaran secara besar-besaran.
Elektrolit sulfida mempunyai kekonduksian suhu bilik yang tinggi dan kemuluran yang baik, dan kestabilannya boleh dipertingkatkan melalui doping dan salutan. Elektrolit sulfida kini terdapat dalam tiga bentuk utama: kaca, seramik kaca dan kristal. Elektrolit sulfida mempunyai kekonduksian suhu bilik yang tinggi, yang boleh hampir dengan elektrolit cecair (10-4-10-2 S/cm), kekerasan sederhana, sentuhan fizikal antara muka yang baik dan sifat mekanikal yang baik. Ia adalah bahan calon penting untuk bateri keadaan pepejal. Walau bagaimanapun, elektrolit sulfida mempunyai tingkap elektrokimia yang sempit, kestabilan antara muka yang lemah dengan elektrod positif dan negatif, dan sangat sensitif terhadap kelembapan. Ia boleh bertindak balas dengan sejumlah kecil air di udara dan membebaskan gas hidrogen sulfida toksik. Pengeluaran, pengangkutan dan pemprosesan mempunyai keperluan alam sekitar yang sangat tinggi. Kaedah pengubahsuaian seperti doping dan salutan boleh menstabilkan antara muka antara sulfida dan elektrod positif dan negatif, menjadikannya sesuai untuk pelbagai jenis bahan elektrod positif dan negatif, malah digunakan dalam bateri litium-sulfur.
Penyediaan bateri elektrolit sulfida mempunyai keperluan alam sekitar yang tinggi. Elektrolit sulfida mempunyai kekonduksian yang tinggi dan agak lembut, dan boleh dihasilkan dengan kaedah salutan. Proses pengeluaran tidak begitu berbeza daripada proses pengeluaran bateri cecair sedia ada, tetapi untuk meningkatkan hubungan antara muka bateri, biasanya perlu melakukan beberapa tekanan panas selepas salutan dan menambah lapisan penampan untuk memperbaiki hubungan antara muka. Elektrolit sulfida sangat sensitif kepada lembapan dan boleh bertindak balas dengan sejumlah kecil air di udara untuk menghasilkan gas toksik hidrogen sulfida, jadi keperluan alam sekitar untuk pembuatan bateri adalah sangat tinggi.
Elektrolit polimer:
Kelebihan: keselamatan yang baik, fleksibiliti yang baik dan hubungan antara muka, mudah untuk membentuk filem.
Kelemahan: Kekonduksian ionik sangat rendah pada suhu bilik dan kestabilan haba adalah lemah.
Ia fleksibel dan mudah diproses, dan kekonduksian boleh dipertingkatkan melalui penghubung silang, pengadunan, cantuman, dan penambahan plasticizer. Substrat polimer utama yang digunakan dalam elektrolit polimer termasuk PEO, PAN, PVDF, PA, PEC, PPC, dll. Garam litium utama yang digunakan termasuk LiPF6, LiFSI, LiTFSI, dll. Elektrolit polimer mudah disediakan, mempunyai fleksibiliti dan kebolehprosesan yang baik, dan boleh digunakan dalam produk elektronik fleksibel atau bateri dengan bentuk yang tidak konvensional. Ia mempunyai hubungan fizikal yang baik dengan elektrod positif dan negatif, dan prosesnya agak hampir dengan bateri litium sedia ada. Ia boleh digunakan dengan mudah dalam pengeluaran besar-besaran bateri melalui transformasi peralatan sedia ada. Walau bagaimanapun, kekonduksian ionik suhu bilik elektrolit polimer secara amnya sangat rendah (<10-6 S/cm). The most common PEO-based polymer electrolyte also has poor oxidation stability and can only be used for LFP positive electrodes. The room temperature conductivity of polymer electrolytes can be improved by cross-linking, blending, grafting, or adding a small amount of plasticizers with a variety of polymers. In-situ curing can improve the physical contact between the polymer electrolyte and the positive and negative electrodes to the level of liquid batteries. The design of asymmetric electrolytes can broaden the electrochemical window of polymer electrolytes. The battery manufacturing process developed earlier and is relatively mature. The polymer electrolyte layer can be prepared by dry or wet methods. Battery cells assembly is achieved through roll-to-roll compounding between electrodes and electrolytes. Both dry and wet methods are very mature, easy to manufacture large batteries, and are closest to the existing liquid battery preparation methods.
Elektrolit halida:
Kelebihan: rintangan elektronik rendah, selektiviti ion tinggi, kestabilan pengurangan tinggi, dan tidak mudah retak.
Kelemahan: Ia masih dalam peringkat makmal, mempunyai kestabilan kimia yang lemah dan kestabilan oksidatif, dan mempunyai rintangan ion yang tinggi.
Disebabkan kelebihan dan keburukan halida dan polimer yang menonjol, persaingan global masa depan untuk bateri keadaan pepejal akan tertumpu terutamanya pada oksida dan sulfida. Malah, disebabkan kestabilan kimianya yang lemah, jenis bahan yang boleh dipilih untuk elektrolit sulfida adalah sangat sempit, tetapi selagi bahan yang sesuai dan penemuan proses ditemui, kekurangan ini boleh diperbaiki.
Walau bagaimanapun, dari perspektif perindustrian, proses yang kompleks akan membawa kepada kos yang lebih tinggi dan siling skala, jadi elektrolit pepejal oksida kini merupakan arus perdana dalam pembangunan bateri keadaan pepejal. Daripada bateri cecair kepada bateri keadaan pepejal, akan terdapat peringkat bateri separa pepejal, dan yang paling sesuai pada peringkat ini ialah laluan oksida. Ia adalah kerana prestasi komprehensif dan kelebihan kosnya. Bateri separa pepejal boleh menggantikan bateri cecair semasa dengan lebih cepat, secara beransur-ansur mengambil kesempatan daripada kelebihan dan keberkesanan kos bateri keadaan pepejal.
Namun, dengan kemajuan teknologi, masih tidak jelas sama ada dunia akan dikuasai oleh oksida atau sulfida pada masa hadapan. Teras teknologi bateri keadaan pepejal ialah penyelidikan dan pembangunan elektrolit keadaan pepejal. Walaupun bahan elektrolit pepejal semasa telah mencapai kemajuan yang besar, mereka masih mempunyai masalah seperti kekonduksian yang lemah, rintangan antara muka yang besar, dan kos penyediaan yang tinggi. Penyelidikan asas dan penemuan teknologi yang berterusan diperlukan untuk meningkatkan kekonduksian dan kestabilan elektrolit pepejal.
