Какво представляват твърдотелните батерии?
За тези, които се интересуват от производството на батерии, терминът "твърдотелна батерия" със сигурност е познат. Тази нова технология се счита за подобрение на литиевите батерии, което може значително да увеличи живота на сегашните батерии няколко пъти.
Особено в производството на електрически превозни средства твърдотелните батерии се разглеждат като ключ към революция в сектора. Представете си електромобил, който може да измине 1000 км и се зарежда напълно само за петнадесет минути - колко примамливо е това?
Този потенциал доведе до силна конкуренция между всички производители на батерии в тази област. И така, какво прави твърдотелните батерии толкова вълшебни? Моля, прочетете следната статия, за да получите цялостна представа за твърдотелните батерии.
Какво представлява твърдотелната батерия?
Концепцията за твърдотелната батерия е представена за първи път от британския учен Майкъл Фарадей. Въпреки това в продължение на повече от век твърдите електролити сякаш се изнизват от сцената на историята, изчезвайки от полезрението на хората. В началото на този век човечеството неусетно започна работа там, където Фарадей я е прекратил преди повече от 100 години, и отново се впусна в изследване на твърдите електролити.
Най-голямата разлика между твърдотелните батерии и литиевите батерии е в SSB липса на течни или гел електролити. Вместо това твърдотелните батерии използват стъклени съединения от литий или натрий като твърди електролити, през които мигрират литиеви йони. В твърдите тела йонната проводимост е сравнително висока и рискът от изтичане и отделяне на газ е сведен до минимум, като по този начин се повишава безопасността и енергийната плътност на батерията.
Защо да разработвате твърдотелни батерии?
В акумулаторната индустрия се счита, че течните литиеви батерии, независимо дали са литиево-железно-фосфатни или трикомпонентни, са достигнали своите "граници". Става все по-трудно да се постигнат нови пробиви в технологията. Това означава, че за да се получат батерии с по-голям капацитет и по-малки обеми, трябва да се разработят нови технологии.
В същото време твърдотелните батерии могат да решат основно проблема с основните опасности за безопасността на литиево-йонните батерии. Традиционните литиево-йонни батерии могат да се самозапалят или взривят поради съдържащите се в тях запалими и летливи органични електролити.
Освен това проблеми като корозия на електролита, изпарение и изтичане могат да представляват сериозен риск за безопасността на акумулаторната система. Твърди електролити, от друга страна, по своята същност са незапалими, топлоустойчиви, некорозивни и нелетливи. Те предлагат по-добра механична якост, термична стабилност и електрохимична стабилност в сравнение с традиционните електролити, като по този начин значително повишаване на безопасността на батерията.
Три основни пътя за твърдотелните батерии
Твърдотелните батерии следват основно три технологични пътя: полимерни, оксидни и сулфидни. Катодните материали и пътищата на твърдотелните батерии не се различават съществено от тези на течнолитиевите батерии. Различните технологични пътища се различават главно по видовете използвани електролити. Въз основа на електролитите пътищата за твърдотелните батерии могат да бъдат разделени на три категории: полимерни, оксидни (филмови или нефилмови) и сулфидни, като всеки от тях има своите предимства и недостатъци.
A. Полимер
Предимства:
-
- Лесен за обработка, а съществуващото оборудване и процеси за производство на течен електролит могат да отговорят на нуждите на производството и научните изследвания.
Недостатъци:
-
- Слаба проводимост, изисква загряване до 60 градуса по Целзий, за да функционира правилно.
- Слаба стабилност, несъвместими с материали за катоди за високо напрежение и склонни към запалване при високи температури.
- Тесен електрохимичен прозорец, като електролитът лесно се разгражда при високи разлики в напрежението (>4V).
B. Сулфид
Предимства:
-
- Най-висока проводимост и широк прозорец на електрохимична стабилност (над 5 V), което го прави най-обещаващ за разработване.
Недостатъци:
-
- Слаба термична стабилност, като термичната реакция започва при температурен диапазон 400-500°C.
- Сложен процес на приготвяне и склонност към реакция с вода и кислород във въздуха, при която се получава силно токсичен сероводороден газ.
C. Оксид
Предимства:
-
- Добра проводимост и стабилност, по-висока йонна проводимост от полимера, термична стабилност до 1000 градуса по Целзий и отлична механична и електрохимична стабилност.
Недостатъци:
-
- По-ниска проводимост в сравнение със сулфидите.
- Проблеми с твърдия контакт на интерфейса.
Понастоящем изследователските насоки на различните производители на батерии се различават. Китай и Съединените щати се фокусират основно върху окисните пътища, като същевременно проучват нови маршрути. Японските компании, като Honda, са склонни да предпочитат сулфидния път. Поради относително по-ниските разходи и трудност на научните изследвания, до 2024 г. няколко полутвърдотелни батерии са видели търговски приложения в оксидната система. Въпреки това, от дългосрочна гледна точка, въпреки високата трудност на изследванията, сулфидният твърд електролит, със своите отлични характеристики и значителен потенциал, продължава да привлича значителни инвестиции и изследователски усилия от добре капитализирани компании за батерии.
Три основни пътя за твърдотелните батерии
Предимства на твърдотелните батерии
Висока енергийна плътност:
С използването на изцяло твърдотелни електролити приложимата материална система на литиево-йонните батерии се променя значително. Ключова промяна е отпадането на необходимостта от литиево-интеркалирани графитни аноди. Твърдотелните батерии могат да използват литиев метал като аноден материал. Теоретичният специфичен капацитет на литиевия метал е 3860 mAh/g в сравнение с едва 372 mAh/g за графитния анод в традиционните литиево-йонни батерии. Това позволява на батериите да преодолеят химическите ограничения и да постигнат по-високи нива на производителност.
По-малък обем:
Традиционните литиево-йонни батерии се нуждаят от сепаратори и електролити, които заедно заемат почти 40% от обема на батерията и 25% от нейната маса. Чрез замяната им с твърди електролити (предимно органични и неорганични керамични материали) разстоянието между положителния и отрицателния електрод (традиционно запълнени от сепаратори и електролити, а сега запълнени от твърди електролити) може да се намали само до няколко до десетки микрона. Това означава, че батериите могат да се правят по-малки, което прави технологията на твърдотелните батерии решаваща стъпка към миниатюризацията на батериите.
Висока пластичност:
Използването на керамика като твърд електролит има предимството, че при тънък слой проявява изненадваща пластичност, въпреки че керамиката е крехка в ежедневен контакт. Дори след стотици огъвания или сгъвания капацитетът на батерията, ефективността на зареждане и разреждане и продължителността на живота остават почти непроменени. Това означава, че твърдотелните батерии могат да бъдат направени във всякаква форма, което предлага по-голяма гъвкавост при проектирането на електронни устройства, потенциално води до иновативни форми и структури и стимулира технологичните продуктови иновации.
Повишена безопасност:
При традиционните литиево-йонни батерии използването на литиев метал като аноден материал може да доведе до образуване на дендрити по време на зареждане и разреждане. Дендритите са игловидни или дървовидни структури, образувани от неравномерното отлагане на литиев метал в електролита. Тези дендрити могат да се разраснат и потенциално да проникнат в сепаратора, предизвиквайки пряк контакт между положителния и отрицателния електрод, което води до късо съединение и евентуално до пожар или експлозия.
Освен това органичните течни електролити в традиционните батерии са склонни към странични реакции, окисление, образуване на газ и горене при високи температури. Твърдите материали могат напълно да избегнат тези проблеми.
По-добри характеристики при високи и ниски температури:
Работният температурен диапазон на обявените в момента твърдотелни батерии е от -20°C до 105°C. В електролитите на литиево-йонните батерии се използват запалими органични разтворители, което създава рискове в среда с висока температура. Електролитите на изцяло твърдотелните батерии не използват запалими материали, което ги прави подходящи за използване при по-високи температури.
При ниски температури подвижността на йоните в течните електролити може да стане бавна, което намалява производителността и напрежението на батерията. Твърдите електролити не замръзват като течностите, така че промените във вътрешното съпротивление са минимални, което поддържа по-добра производителност при ниски температури.
Сравнение на литиево-йонни батерии и батерии с твърдотелно тяло
| Функции | Литиево-йонна батерия | Твърдотелна батерия |
|---|---|---|
| Енергийна плътност | 150-250 Wh/kg | 250-500 Wh/kg |
| Тип електролит | Течен или гел електролит | Твърд електролит |
| Безопасност | Риск от изтичане, пожар и експлозия | По-нисък риск, по-стабилен |
| Работна температура | -20°C до 60°C | -30°C до 100°C |
| Живот на цикъла | 500-1000 цикъла | 1000-3000 цикъла |
| Разходи | Сравнително нисък | Понастоящем високо |
| Сложност на производството | Установени процеси | Сложни, по-малко установени |
| Търговска наличност | Широко достъпни | Ограничен, в процес на разработване |
Три основни пътя за твърдотелните батерии
QuantumScape
Контекст на компанията: QuantumScape е основана през 2010 г. и се ръководи от президента и главен изпълнителен директор д-р Джагдип Сингх. Компанията е със седалище в Сан Хосе, Калифорния, и работи както в САЩ, така и в Япония.
Технология: QuantumScape се фокусира върху технологията на оксидите. Тяхната твърдотелна батерия е уникална с това, че не задава предварително аноден материал. При зареждане чистият литиев метал се превръща в литиеви йони, които мигрират към другата страна на батерията, за да образуват анода - техника, която те наричат "безанодна". Това е възможно благодарение на патентования от тях керамичен материал, използван за сепаратора на батерията, който позволява на литиевите йони да се движат свободно, като същевременно не позволява на литиевия метал да реагира с материала на катода и да образува дендрити.
Предимства: QuantumScape е създала над 200 патента и приложения. Техният патентован твърдотелен керамичен сепаратор, комбиниран с органични течни електролити (католити), позволява използването на персонализирани материали за католити, които са по-подходящи за изискванията за напрежение и предаване на катода.
Последен напредък: На 27 март 2024 г. QuantumScape започва да доставя на клиентите си прототипи Alpha-2.
Solid Power
Контекст на компанията: Джон Ван Скотър е главен изпълнителен директор и президент от юни 2023 г. Solid Power има партньорства с BMW и Ford и е със седалище в Луисвил, Колорадо.
Технология: Фокусът на Solid Power е върху сулфидната технология, задвижвана от техния патентован твърд електролит на базата на сулфиди. Катодният материал е NMC, а компанията разполага с две технологии за батерии, използващи различни анодни материали: една с високо съдържание на силиций и друга с литиев метал.
Предимства: Ключовият компонент на Solid Power е техният твърд електролит на базата на сулфид, който осигурява оптимална комбинация от проводимост, възможност за производство и характеристики на батерията.
Последен напредък: На 16 януари 2024 г. Solid Power подписа ново споразумение с SK за задълбочаване на партньорството им.
Дайсън (Sakti3)
Предистория на компанията (Dyson): Дайсън е британска технологична компания, специализирана в производството на домакински продукти, с екип от 1200 учени и инженери. Преди повече от десетилетие Dyson стартира своя собствена програма за батерии.
Предистория на компанията (Sakti3): През 2015 г. Sakti3 е придобита от Dyson Ltd. Sakti3 е съоснована през 2007 г. от д-р Ан Мари Састри, д-р Чиа-Уей Уанг и д-р Фабио Албано като отделен проект от Мичиганския университет.
Технология: Sakti3 използва технология за отлагане на тънки слоеве, която обикновено се използва във фотоволтаичните слънчеви клетки. Техните твърдотелни батерии нямат течни електролити, а вместо това използват "сандвич" структура, за да осигурят нормално предаване на йони.
Предимства: Dyson разкри, че твърдотелните батерии Sakti3 могат да постигнат свръхвисока енергийна плътност от 550 Wh/kg, което е почти двойно повече от максималната енергийна плътност от 300 Wh/kg за трикомпонентните литиеви батерии.
Последен напредък: На 16 юни 2023 г. Dyson обяви плановете си да открие усъвършенстван завод за производство на батерии от следващо поколение в Сингапур.
Toyota
Контекст на компанията: От 2006 г. Toyota работи по разработването на твърдотелни батерии, като се фокусира върху сулфидната технология. Те притежават над 1300 патента за твърдотелни батерии и са със седалище в Токио, Япония.
Технология: Оповестената от Toyota информация показва, че тя се фокусира върху сулфидната технология.
Предимства: Toyota притежава 1331 патента, свързани с твърдотелни батерии, които обхващат структурата на батериите, приложенията на материалите и производствените процеси, което я прави компанията с най-много свързани патенти в света. Те планират да започнат търговско производство между 2026 и 2027 г.
Последен напредък: На 13 юни 2024 г. Toyota обяви технологичен пробив, който решава дългогодишното предизвикателство, свързано с издръжливостта на батериите.
Ampcera
Контекст на компанията: Ampcera е със седалище в Силициевата долина, Калифорния, и е основана през 2017 г. Главен изпълнителен директор е д-р Сумин Жу.
Технология: Технологията ASSB на Ampcera се състои от IP-защитени сулфидни материали с твърд електролит, предназначени за свръхбързо зареждане. Те използват катоди NMC с голям капацитет и аноди на силициева основа, за да постигнат целева енергийна плътност от 400 Wh/kg.
Предимства: Технологията за изцяло твърдотелна батерия (ASSB) на Ampcera постигна бързо зареждане от 0 до 80% състояние на заряд (SOC) за 15 минути при пикова скорост на зареждане от 4C.
Последен напредък: На 25 февруари 2024 г. технологията за изцяло твърдотелни батерии на Ampcera надхвърли целта на Министерството на енергетиката на САЩ за екстремно бързо зареждане - 80% заряд за 15 минути.
Samsung SDI
Контекст на компанията: Седалището на Samsung SDI е в Йонгин, Кьонги-до, Южна Корея, а главният изпълнителен директор е Юн Хо Чой.
Технология: Компанията се фокусира върху сулфидните електролити, като използва композитен анод Ag-C без излишен литий. Слоят Ag-C ефективно регулира отлагането на литий, като постига дълъг живот на електрохимичния цикъл.
Предимства: Технологията за твърдотелни батерии Super-Gap на Samsung SDI има енергийна плътност от 900 Wh/L, което е с около 40% повече от сегашните литиево-йонни батерии. Те твърдят, че могат да заредят призматична клетка от 8% до 80% за 9 минути. Масовото производство е планирано за 2026 г.
Последен напредък: През март 2024 г. Samsung SDI обяви плановете си да започне масово производство на твърдотелни батерии за електромобили и други приложения до 2027 г.
Китайски производители
Китайските производители на батерии са по-дискретни, но е известно, че BYD и CATL разработват твърдотелни батерии. В световен мащаб има 20 798 заявки за ключови технологични патенти за твърдотелни батерии, като на Китай се падат 7640, или 36,7%. През последните пет години годишният темп на нарастване на заявките за патенти за твърдотелни батерии в Китай е 20,8% - най-високият в света.
Мнения за твърдотелните батерии от други лидери в индустрията
Предизвикателства пред твърдотелните батерии
Високи разходи
При сулфидния метод цената на сулфидните твърди електролити понастоящем надхвърля $195 за килограм, много по-висока от $50 на килограм, необходима за комерсиализация. Този проблем се дължи на високата цена на литиевия сулфид (не по-малко от $650 за килограм), необходима за синтезирането на сулфидни твърди електролити. Освен това високопроизводителните материали (като керамика с висока чистота) и сложните производствени процеси, използвани в твърдотелните батерии, правят разходите им значително по-високи от тези на традиционните литиево-йонни батерии.
Трудности при производството
Ако се използва сулфидният твърд електролит, производството е предизвикателство поради склонността на електролита да реагира с влага и кислород. Това изисква силно контролирана производствена среда, в идеалния случай в запечатана камера, изпълнена с инертен газ.
Ниска йонна проводимост
В твърдотелните батерии контактът между електрода и електролита се променя от контакт твърдо вещество-течност към контакт твърдо вещество-твърдо вещество. В сравнение с течните електролити контактната площ между твърдите тела е по-малка, което води до по-голямо междуфазово съпротивление. Освен това твърдите електролити съдържат много граници на зърната, които често имат по-високо съпротивление от основния материал, което затруднява преноса на литиеви йони между електродите и оказва отрицателно въздействие върху бързото зареждане и живота на цикъла.
Лош живот на цикъла
Контактът твърдо тяло-твърдо тяло в твърдотелните батерии е по-твърд, което го прави по-чувствителен към промени в обема на електродните материали. По време на цикъл това може да доведе до лош контакт между частиците на електрода и между частиците на електрода и електролита., което води до натрупване на напрежение, влошаване на електрохимичните характеристики и дори до пукнатини, които могат бързо да намалят капацитета и да доведат до лош живот на цикъла.
Кога ще бъдат достъпни твърдотелните батерии?
Към юли 2024 г. няма истински търговски батерии, които да са изцяло твърдотелни. Китайските производители на автомобили, които твърдят, че използват твърдотелни батерии, всъщност използват полутвърдотелни батерии с намалено съдържание на течност. Подобно на литиевите батерии, за които бяха необходими десетилетия, за да се премине от технологично начало към широко използване, много експерти смятат, че твърдотелните батерии се нуждаят от още по-дълги периоди за утвърждаване и технологичен пробив.
Чакането обаче може да не е безкрайно. Значителният потенциал на твърдотелните батерии стимулира интензивна конкуренция, която ускорява напредъка в тази област. Много производители определят 2027 г. като година за пускане на пазара на твърдотелни батерии. Нека да следим развитието на индустрията, докато тя се стреми към тази амбициозна цел.
Пестене на пари, опазване на околната среда
PKNERGY ви помага да намалите сметките си за енергия за вашия дом Съхраняване на слънчева енергия, съхраняване на слънчева енергия за използване по всяко време - през нощта или по време на прекъсване.
BG 
EN 
ES 
DE 
PT 
AR 
KU 
ID 
RU 
SL 
KO 
FR 
IT 
NL 
CS 