V súčasnej vlne energického vývoja nových energetických technológií pritiahla batériu v pevnom stave, ako veľmi sľubná technológia batérie novej generácie, rozsiahlu pozornosť zo všetkých oblastí života. Keďže požiadavky ľudí na vytrvalosť elektronických zariadení a jazdectvo elektrických vozidiel sa naďalej zvyšujú a ich dôraz na bezpečnostný výkon batérie každý deň rastie, batéria v tuhom stave sa vysoko očakáva, že bude riešiť mnoho bodov bolesti tradičných tekutých lítium-iónových batérií z hľadiska bezpečnosti a rozsahu. Pred svojou rozsiahlou popularizáciou a aplikáciou však kľúčová otázka pretrváva v mysliach spotrebiteľov: je bezpečná batéria v pevnom stave a je schopná poskytnúť dlhý dosah? Aby sme odpovedali na túto otázku, musíme sa ponoriť do pracovného mechanizmu, technických charakteristík a súčasného výskumu a stavu aplikácie batérií v pevnom stave.
Pracovný princíp a konštrukčné charakteristiky batérie v tuhom stave
Rozdiel jadra medzi batériou v tuhom stave a tradičnou kvapalnou lítium-iónovou batériou leží vo forme elektrolytu. Tradičné kvapalné lítium-iónové batérie využívajú kvapalný elektrolyt na dosiahnutie procesu nabíjania a vybíjania pohybom lítiových iónov medzi pozitívnymi a negatívnymi elektródami. Naopak, batérie v pevnom stave využívajú tuhé elektrolyty, ktoré sa zvyčajne vyrábajú z keramických, polymérových alebo sulfidových materiálov. V batériách v tuhom stave sa lítium-ióny tiež počas nabíjania deperkalizujú z pozitívnej elektródy a interkalát do zápornej elektródy cez tuhý elektrolyt; Počas vypustenia sa pohybujú v opačnom smere, zatiaľ čo elektróny prúdi z negatívnej elektródy do kladnej elektródy cez externý obvod, čím generujú prúd na napájanie zariadenia.
Použitie tuhých elektrolytov poskytuje batérie v tuhom stave s jedinečnými štrukturálnymi charakteristikami. V porovnaní s kvapalnými elektrolytmi, ktorý vyžaduje oddeľovač, aby zabránil skratu medzi pozitívnymi a negatívnymi elektródami, má samotný tuhý elektrolyt duálne funkcie vedenia iónov a izolácie elektród, vďaka čomu je štruktúra batérie kompaktnejšia. Medzitým tuhý elektrolyt vykazuje vyššiu stabilitu a je menej náchylný na prchanie a úniku, čím položí základ pre zlepšený výkon bezpečnosti batérie.
Bezpečnostný výkon v pevnom stave batérie
Tradičné kvapalné lítium-iónové batérie predstavujú riziko tepelného úteku v podmienkach vysokej teploty. Keď teplota batérie prekročí určitý prah, napríklad 80 stupňov, kvapalný elektrolyt sa môže rozložiť na výrobu horľavých plynov a bočné reakcie v zintenzívnení batérie, čo vedie k rýchlemu akumulácii tepla a nakoniec spôsobí, že batéria zapadne alebo dokonca vybuchne. Údaje z nemeckej testovacej agentúry Tüv jasne odhaľujú toto skryté nebezpečenstvo.
Batérie v pevnom stave vykazujú významné výhody v tepelnej stabilite. V dôsledku neprítomnosti prchavých a horľavých zložiek kvapaliny v tuhom elektrolyte je jeho tepelná stabilita oveľa vyššia ako v prípade kvapalného elektrolytu. Test punkcie, ktorý vykonáva nová organizácia pre vývoj energetických a priemyselných technológií (NEDO) v Japonsku, je pôsobivý: keď oceľová ihla prepichne batériu v pevnom stave, teplota batérie stúpa iba o 2 stupne, zatiaľ čo tradičná tekutá lítium-iónová batéria zapadne a exploduje iba za 3 sekundy. Tento experimentálny výsledok vizuálne demonštruje vynikajúcu bezpečnosť batérií v pevnom stave tvárou v tvár extrémne mechanickému zneužívaniu.
V papieri s názvom „Sú batérie v pevnom stave bezpečnejšie ako (tekuté) lítium-iónové batérie?“ Vedci, ktorí boli publikovaní v apríli 2022, diskutovali o limitoch tekutiny lítium-iónových batérií, polotuhových batérií s určitým množstvom elektrolytu a celoštátnych batérií v rámci troch tepelných útedových scenárov. Štúdia zistila, že v tepelnom utečeneckom stave spôsobenom vonkajším vykurovaním prekonáva batérie s celkovým štátom polotuhé a tekuté lítium-iónové batérie. Vysoká hustota tuhého elektrolytu v batériách s celkovým štátom môže tvoriť účinnú plynovú bariéru, ktorá zabráni kontaktu medzi lítiami na negatívnej elektróde a kyslíkom uvoľnenom z pozitívnej elektródy. V tomto hypotetickom scenári by nedošlo k významnému uvoľňovaniu tepla.
Inhibícia rastu dendritu lítium
Počas procesu nabíjania a vybíjania tradičných kvapalných lítium-iónových batérií môžu lítium ióny priamo kryštalizovať na povrchu negatívnej elektródy počas rýchleho nabíjania, čím tvoria nebezpečné lítiové dendrity. Rast lítiových dendritov nielen vedie k rozkladu kapacity batérie, ale môže tiež prepichnúť separátor, čo spôsobuje skrat medzi pozitívnymi a negatívnymi elektródami a spustí bezpečnostný incident. Toto skryté nebezpečenstvo odhalili inžinieri z CATL.
Batérie v pevnom stave vykazujú potenciál pri inhibícii rastu lítium dendritu. Špeciálna štruktúra a vlastnosti tuhého elektrolytu môžu poskytnúť rovnomernejšiu cestu pre migráciu lítium iónov, čím sa zníži možnosť tvorby dendritu lítium. Aj keď úplne eliminácia rastu dendritu lítium stále predstavuje výzvy v praktických aplikáciách, v tomto ohľade je zrejmý trend zlepšovania batérií v tuhom stave v porovnaní s tekutými lítium-iónovými batériami.
Potenciálne bezpečnostné riziká
Napriek mnohým výhodám batérií v pevnom stave z hľadiska bezpečnosti nie sú úplne bezpečné. V niektorých extrémnych prípadoch, napríklad keď tuhý elektrolyt zlyhá alebo dendrity lítium prenikajú do tuhého elektrolytu, čo spôsobuje krátky obvod, bezpečnosť batérií s celkovým stavom a polotuhové batérie nie je lepšia ako bezpečnosť tekutých lítium-iónových batérií. Profesor Ai Xinping zo školy chémie a molekulárnych vied na univerzite Wuhan poukazuje na to, že tvrdenie, že batérie s celkovým štátom majú vysokú hustotu energie a dobrú bezpečnosť, v skutočnosti zahŕňa koncepčný sľub rúk. Pretože niektoré materiály v batériách v tuhom stave môžu produkovať toxické plyny, ako je sírovodík v prípade nehody, hoci nebudú priamo spaľovať ľudí ako tradičné batérie, plyn s obsahom vodíka je toxický a môže spôsobiť vážne škody pre ľudské telo.
Potenciál batérie v pevnom stave v dosahu
Teoreticky majú batérie v pevnom stave potenciál dosiahnuť vysokú hustotu energie, ktorá očakáva, že výrazne zvýši výdrž zariadení. Pevný elektrolyt umožňuje použitie čistého kovového lítia ako negatívnej elektródy, čo výrazne zvyšuje kapacitu skladovania energie na jednotku objemu. Experimentálne údaje z Inštitútu bioenergie a bioprocesov v Čínskej akadémii vied Qingdao ukazujú, že hustota energetiky ich vzoriek batérií v tuhom stave prekročila 500WH\/kg, zatiaľ čo hustota energie 21700 batérie použitá v modeli TESLA Model 3 je iba 260WH\/kg.
Ako príklad prevzatie elektrických vozidiel bolo vždy zameraním pozornosti spotrebiteľa. Kunpeng batéria od spoločnosti Chery ako predstaviteľ batérií v pevnom stave plánuje dosiahnuť hustotu energie 400Wh\/kg v roku 2024 a v roku 2025 ju zvýšiť na 600Wh\/kg. Ak sa tieto ciele dosiahnú, výrazne zmierňuje úzkosť používateľov elektrických vozidiel.
Výzvy v skutočnom rozsahu
Od laboratória po praktické aplikácie však batérie v pevnom stave stále čelia určitým výzvam, pokiaľ ide o dosah. Po prvé, impedancia rozhrania medzi tuhými elektrolytmi a elektródami je relatívne výrazná, čo je podobné vytvoreniu mýtnej kabíny na diaľnici, čo bráni rýchlemu prenosu lítiových iónov a ovplyvňuje účinnosť nabíjania a vypúšťania batérie, a tým nepriaznivo ovplyvňuje rozsah. Po druhé, smrteľná chyba sulfidového elektrolytu, ktorá pri vystavení vode produkuje vysoko toxický sulfid vodíka, nielen zvyšuje bezpečnostné riziká počas výroby a používania batérií, ale tiež predstavuje vážne výzvy pre stabilitu a spoľahlivosť batérie. Nízky výnos prípravy tuhého elektrolytového filmu vedie k vysokým výrobným nákladom vo veľkom meradle, čo obmedzuje rozsiahlu aplikáciu batérií v pevnom stave a nepriamo ovplyvňuje proces demonštrovania ich výhod na trhu.
Záver a výhľad
Stručne povedané, batérie v pevnom stave vykazujú významný potenciál z hľadiska bezpečnosti a rozsahu. Pokiaľ ide o bezpečnosť, sú zjavné ich výhody tepelnej stability a môžu účinne inhibovať rast lítium dendritu, vďaka čomu sú vo väčšine prípadov bezpečnejšie a spoľahlivejšie ako tradičné kvapalné lítium-iónové batérie. Avšak vzhľadom na extrémne situácie, ako je zlyhanie tuhých elektrolytov, stále existujú určité bezpečnostné riziká. Pokiaľ ide o rozsah, teoretická výhoda vysokej hustoty energie poskytuje možnosť pre dlhé vzdialenosti a niektoré experimentálne údaje a podnikové plány tiež ukazujú sľubné vyhliadky. V praktických aplikáciách sa však problémy, ako je impedancia rozhrania, defekty elektrolytov a náklady, stali prekážkami brániacimi úplnou realizáciou ich výhod na dlhé vzdialenosti.
Napriek tomu, že čelia mnohým výzvam, batérie v pevnom stave sa stále považujú za dôležitý smer vývoja pre technológie batérií novej generácie.