Az új energiatechnológiák erőteljes fejlesztésének jelenlegi hullámában a szilárdtest akkumulátor, mint egy nagyon ígéretes következő generációs akkumulátor-technológia, nagy figyelmet fordított az élet minden területére. Mivel az emberek az elektronikus eszközök kitartására vonatkozó követelmények és az elektromos járművek vezetési tartománya tovább növekszik, és az akkumulátorok biztonságának napról napra növekszik, a szilárdtest akkumulátorok nagyon vártak, hogy a hagyományos folyékony lítium-ion akkumulátorok sok fájdalompontját kezeljék a biztonság és a tartomány szempontjából. A nagyszabású népszerűsítés és alkalmazás előtt azonban kulcsfontosságú kérdés a fogyasztók gondolataiban: a szilárdtest akkumulátora biztonságos-e és képes-e hosszú hatótávolságot biztosítani? A kérdés megválaszolásához be kell vonnunk a munkamechanizmust, a műszaki jellemzőket, valamint a szilárdtest akkumulátorok jelenlegi kutatási és alkalmazási állapotát.
A szilárdtest akkumulátor működési alapelve és szerkezeti jellemzői
A szilárdtest-akkumulátor és a hagyományos folyékony lítium-ion akkumulátor közötti alapkülönbség elektrolit formájában rejlik. A hagyományos folyékony lítium-ion akkumulátorok folyékony elektrolitot alkalmaznak a töltési és ürítési folyamat elérésére a lítium-ionok mozgásával a pozitív és a negatív elektródok között. Ezzel szemben a szilárdtest akkumulátorok szilárd elektrolitot használnak, amely általában kerámia, polimer vagy szulfid anyagból készül. Szilárd állapotú akkumulátorokban a lítium-ionok a pozitív elektródból is deszkalizálódnak a töltés során, és interkalálják a negatív elektródba a szilárd elektroliton keresztül; A kibocsátás során az ellenkező irányba mozognak, míg az elektronok a negatív elektródról a pozitív elektródra áramlik a külső áramkörön keresztül, áramot generálva az eszköz táplálására.
A szilárd elektrolit használata szilárdtestű akkumulátorokat kínál, egyedi szerkezeti jellemzőkkel. A folyékony elektrolithoz képest, amelyre az elválasztó szükséges, hogy megakadályozzák a pozitív és a negatív elektródok közötti rövidzárlatot, maga a szilárd elektrolit kettős funkcióval rendelkezik az ionvezetés és az elektróda izolálásának, így az akkumulátor szerkezetét kompaktabb. Eközben a szilárd elektrolit nagyobb stabilitást mutat, és kevésbé hajlamos az illékonyodásra és a szivárgásra, alapot teremtve az akkumulátorok biztonságának javításához.
Szilárdtest-akkumulátor biztonsági teljesítménye
A hagyományos folyékony lítium-ion akkumulátorok magas hőmérsékleti körülmények között a termikus kiszabadulás kockázatát jelentik. Ha az akkumulátor hőmérséklete meghaladja a bizonyos küszöböt, például 80 fokot, a folyékony elektrolit bomlik, hogy gyúlékony gázokat termeljen, és az akkumulátoron belüli oldalsó reakciók fokozódhatnak, ami a hő gyors felhalmozódásához vezet, és végül az akkumulátor felgyullad, vagy akár felrobban. A német TUV tesztelő ügynökség adatai egyértelműen feltárják ezt a rejtett veszélyt.
A szilárdtest akkumulátorok jelentős előnyöket mutatnak a termikus stabilitásban. Mivel a szilárd elektrolitban nincs illékony és gyúlékony folyadékkomponens, a termikus stabilitása sokkal magasabb, mint a folyékony elektrolit. A japán új Energia- és Ipari Technológiai Fejlesztési Szervezet (NEDO) által végzett lyukasztási teszt lenyűgöző: amikor egy acél tűszél egy szilárdtest akkumulátort, akkor az akkumulátor hőmérséklete csak 2 fokra emelkedik, míg a hagyományos folyékony lítium-ion akkumulátor felgyullad és mindössze 3 másodpercen belül felrobban. Ez a kísérleti eredmény vizuálisan demonstrálja a szilárdtest akkumulátorok kiváló biztonságát a szélsőséges mechanikai visszaélésekkel szemben.
A "Szilárdtest akkumulátorok biztonságosabbak-e a (folyékony) lítium-ion akkumulátorok?" A Science-ben, 2022 áprilisában jelent meg, a kutatók megvitatták a folyékony lítium-ion akkumulátorok hőkibocsátási és hőmérsékleti emelkedési határát, egy bizonyos mennyiségű elektrolit-félszilárd akkumulátorokat, és az összes szilárdtest-elem három termikus elrontási forgatókönyv szerint. A tanulmány kimutatta, hogy a külső fűtés által okozott termikus kiszabadult állapotban az összes szilárdtest akkumulátorok felülmúlják a félszilárd és folyékony lítium-ion akkumulátorokat. A szilárd elektrolit nagy sűrűsége az összes szilárd állapotban lévő akkumulátorokban hatékony gázgátot képezhet, megakadályozva a lítium közötti érintkezést a negatív elektródon és a pozitív elektródból felszabaduló oxigén között. Ebben a hipotetikus forgatókönyvben nem lenne jelentős hőkibocsátás.
A lítium -dendrit növekedésének gátlása
A hagyományos folyékony lítium-ion akkumulátorok töltési és kisülési folyamata során a lítium-ionok közvetlenül kristályosodhatnak a negatív elektród felületén a gyors töltés során, veszélyes lítium-dendriteket képezve. A lítium -dendritek növekedése nemcsak az akkumulátor kapacitásának csökkenéséhez vezet, hanem az elválasztót is lyukaszthatja, rövidzárlatot okozva a pozitív és a negatív elektródok között, és biztonsági eseményt válthat ki. Ezt a rejtett veszélyt a CATL mérnökei fedezték fel.
A szilárdtest akkumulátorok potenciálisan gátolják a lítium-dendrit növekedését. A szilárd elektrolit speciális szerkezete és tulajdonságai egységesebb utat biztosíthatnak a lítium -ion migrációhoz, csökkentve a lítium -dendritképződés lehetőségét. Noha a lítium-dendrit növekedésének teljesen kiküszöbölése továbbra is kihívásokat jelent a gyakorlati alkalmazásokban, a szilárdtest akkumulátorok javulási tendenciája ebben a tekintetben nyilvánvaló a folyékony lítium-ion akkumulátorokhoz képest.
Potenciális biztonsági kockázatok
Annak ellenére, hogy a szilárdtest akkumulátorok a biztonság szempontjából sok előnye, nem teljesen biztonságosak. Bizonyos szélsőséges esetekben, például amikor a szilárd elektrolit meghibásodik, vagy a lítium-dendritek behatolnak a szilárd elektrolitba, rövidzárlatot okozva, az összes szilárdtestű akkumulátorok és a félig szilárd elemek biztonsága nem jobb, mint a folyékony lítium-ion akkumulátorok. Ai Xinping professzor a Wuhan Egyetem Kémiai és Molekuláris Tudományok Iskolájából rámutat, hogy az állítás, hogy az összes szilárdtest akkumulátorok nagy energiájú sűrűséggel rendelkeznek, és a jó biztonság valójában magában foglalja a fogalmi kezet. Mivel a szilárdtest akkumulátorokban egyes anyagok mérgező gázokat, például hidrogén-szulfidot termelhetnek baleset esetén, bár nem fognak közvetlenül égni az embereket, mint a hagyományos akkumulátorok, a hidrogén-szulfid-gáz mérgező és súlyos károkat okozhat az emberi testnek.
A szilárdtest akkumulátor hatótávolságának potenciálja
Elméletileg a szilárdtest akkumulátorok nagy energiájú sűrűséggel képesek elérni, ami várhatóan jelentősen javítja az eszközök kitartását. A szilárd elektrolit lehetővé teszi a tiszta fém lítium negatív elektródaként való használatát, amely jelentősen növeli az egységmennyiségenkénti energiatárolási kapacitást. A Kínai Tudományos Akadémia Bioenergia- és Bioprocessziós Technológiai Intézetének kísérleti adatai azt mutatják, hogy szilárdtest-akkumulátormintáik energia sűrűsége meghaladta az 500Wh\/kg-ot, míg a Tesla 3. modellben használt 21700-as akkumulátor energia sűrűsége csak 260Wh\/kg.
Az elektromos járművek példa szerint a vezetési tartomány mindig a fogyasztók figyelmének középpontjában állt. A Chery-ből származó Kunpeng akkumulátor, mint a szilárdtest akkumulátorok reprezentatívja, 2024-ben 400W\/kg energia-sűrűség elérését tervezi, és 2025-ben 600Wh\/kg-ra növeli. A terv szerint, amikor a tömegtermelés 2027-ben, a tiszta elektromos vezetési tartomány várhatóan meghaladja az 1500 km-t. Ha ezeket a célokat elérik, akkor ez nagymértékben enyhíti az elektromos járművek használóinak szorongását.
Kihívások a tényleges tartományban
A laboratóriumtól a gyakorlati alkalmazásokig azonban a szilárdtest akkumulátorok továbbra is néhány kihívással néznek szembe a tartomány szempontjából. Először is, a szilárd elektrolit és az elektródák közötti interfész impedanciája viszonylag kiemelkedő, ami hasonló az autópályán lévő útdíjfülkék felállításához, akadályozva a lítium -ionok gyors átvitelét, és befolyásolva az akkumulátor töltési és ürítési hatékonyságát, ezáltal hátrányosan befolyásolva a tartományt. Másodszor, a szulfid -elektrolit halálos hibája, amely víznek kitett erősen toxikus hidrogén -szulfidot termel, nemcsak növeli a biztonsági kockázatot az akkumulátor előállítása és felhasználása során, hanem súlyos kihívásokat jelent az akkumulátor stabilitásában és megbízhatóságában is. Ezenkívül a szilárd elektrolitfilm-előkészítés alacsony hozama nagy léptékben magas termelési költségeket eredményez, korlátozva a szilárdtest akkumulátorok széles körű alkalmazását, és közvetett módon befolyásolja a hosszú távú előnyeik bemutatásának folyamatát.
Következtetés és kilátások
Összefoglalva: a szilárdtest akkumulátorok jelentős potenciált mutatnak a biztonság és a tartomány szempontjából. A biztonság szempontjából hőstabilitási előnyeik nyilvánvalóak, és hatékonyan gátolhatják a lítium-dendrit növekedését, biztonságosabbá és megbízhatóbbá téve őket, mint a hagyományos folyékony lítium-ion akkumulátorok. Ugyanakkor a szélsőséges helyzetek, például a szilárd elektrolit meghibásodása ellenére továbbra is vannak bizonyos biztonsági kockázatok. A tartomány szempontjából a nagy energia sűrűség elméleti előnye lehetőséget teremt a hosszú távra, és néhány kísérleti adatok és vállalati tervek is ígéretes kilátásokat mutatnak. A gyakorlati alkalmazásokban azonban olyan kérdések, mint az interfész impedancia, az elektrolithibák és a költségek, akadályokká váltak, amelyek akadályozzák a hosszú távú előnyeik teljes megvalósítását.
Annak ellenére, hogy számos kihívással szembesülnek, a szilárdtest akkumulátorokat továbbra is fontos fejlesztési iránynak tekintik a következő generációs akkumulátor-technológiák számára.