Что такое твердотельные батареи?
Для тех, кто интересуется аккумуляторной промышленностью, термин "полупроводниковая батарея", безусловно, знакома. Эта новая технология считается усовершенствованием литиевых батарей, способным значительно увеличить время работы текущих аккумуляторов в несколько раз.
Особенно в индустрии электромобилей твердотельные батареи рассматриваются как ключ к революции в этом секторе. Представьте себе электромобиль, который может проехать 1000 км, а его полная зарядка занимает всего пятнадцать минут - насколько это привлекательно?
Такой потенциал привел к острой конкуренции между всеми производителями батарей в этой области. Так что же делает твердотельные батареи такими волшебными? Прочитайте следующую статью, чтобы получить полное представление о твердотельных батареях.
Что такое твердотельная батарея?
Концепция твердотельной батареи была впервые представлена британским ученым Майклом Фарадеем. Однако более века твердые электролиты, казалось, исчезали со сцены истории, пропадая из поля зрения людей. Войдя в нынешнее столетие, человечество незаметно подхватило то, на чем остановился Фарадей более 100 лет назад, вновь приступив к исследованию твердых электролитов.
Самое большое отличие полупроводниковых батарей от литиевых - это Отсутствие жидких или гелевых электролитов в SSB. Вместо этого в твердотельных батареях в качестве твердого электролита используются стеклянные соединения лития или натрия, через которые мигрируют ионы лития. В твердых телах ионная проводимость относительно высока, а риск утечки и выделения газа сведен к минимуму, что повышает безопасность и плотность энергии батареи.
Зачем разрабатывать твердотельные батареи?
В аккумуляторной промышленности считается, что жидкие литиевые батареи, будь то литий-железо-фосфатные или троичные литиевые, достигли своего "предела". Добиться новых технологических прорывов становится все труднее. Это означает, что для получения батарей большей емкости при меньших объемах необходимо разрабатывать новые технологии.
В то же время твердотельные батареи могут в корне устранить основные угрозы безопасности литий-ионных аккумуляторов. Традиционные литий-ионные батареи могут самовоспламеняться или взрываться из-за содержащихся в них легковоспламеняющихся и летучих органических электролитов.
Кроме того, такие проблемы, как коррозия, улетучивание и утечка электролита, могут представлять серьезную угрозу безопасности аккумуляторной системы. Твердые электролитыС другой стороны, они по своей природе невоспламеняемы, термостойки, не подвержены коррозии и нелетучи. Они обладают более высокой механической прочностью, термостойкостью и электрохимической стабильностью по сравнению с традиционными электролитами, благодаря чему значительно повышая безопасность батареи.
Три основных пути развития твердотельных аккумуляторов
Твердотельные батареи в основном идут по трем технологическим маршрутам: полимерному, оксидному и сульфидному. Материалы катода и технологические маршруты твердотельных батарей не сильно отличаются от жидколитиевых. Различные технологические маршруты в основном отличаются типами используемых электролитов. В зависимости от электролитов пути создания твердотельных батарей можно разделить на три категории: полимерные, оксидные (пленочные или непленочные) и сульфидные, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки.
A. Полимер
Преимущества:
-
- Легко обрабатывается, а существующее оборудование и процессы производства жидкого электролита могут удовлетворить производственные и исследовательские потребности.
Недостатки:
-
- Низкая электропроводность, для нормального функционирования требуется нагрев до 60 градусов Цельсия.
- Плохая стабильность, несовместимость с материалами высоковольтных катодов и склонность к возгоранию при высоких температурах.
- Узкое электрохимическое окно, электролит легко разлагается при больших перепадах напряжения (>4 В).
B. Сульфид
Преимущества:
-
- Высочайшая проводимость и широкое окно электрохимической стабильности (выше 5 В), что делает его наиболее перспективным для разработки.
Недостатки:
-
- Плохая термическая стабильность, термическая реакция начинается при температуре 400-500°C.
- Сложный процесс приготовления и склонность к реакции с водой и кислородом воздуха с образованием высокотоксичного сероводородного газа.
C. Оксид
Преимущества:
-
- Хорошая проводимость и стабильность, более высокая ионная проводимость, чем у полимеров, термическая стабильность до 1000 градусов Цельсия, отличная механическая и электрохимическая стабильность.
Недостатки:
-
- Более низкая проводимость по сравнению с сульфидами.
- Проблемы с жестким контактом интерфейса.
В настоящее время направления исследований различных производителей батарей отличаются. Китай и США в основном ориентируются на оксидный путь, одновременно исследуя новые маршруты. Японские компании, такие как Honda, склоняются к сульфидному пути. Благодаря относительно меньшей стоимости и сложности исследований, к 2024 году несколько полутвердотельных батарей получат коммерческое применение в оксидной системе. Однако в долгосрочной перспективе, несмотря на высокую сложность исследований, сульфидный твердый электролит, обладающий превосходными характеристиками и значительным потенциалом, продолжает привлекать значительные инвестиции и исследовательские усилия со стороны хорошо капитализированных аккумуляторных компаний.
Три основных пути развития твердотельных аккумуляторов
Преимущества твердотельных аккумуляторов
Высокая плотность энергии:
С использованием полностью твердотельных электролитов система применяемых материалов для литий-ионных батарей существенно меняется. Ключевым изменением является отказ от использования литий-интеркалированных графитовых анодов. В твердотельных батареях в качестве анодного материала может использоваться металлический литий. Теоретическая удельная емкость металлического лития составляет 3860 мАч/г, в то время как для графитового анода в традиционных литий-ионных батареях она составляет всего 372 мАч/г. Это позволяет батареям преодолеть химические ограничения и достичь более высоких уровней производительности.
Меньший объем:
Для традиционных литий-ионных батарей требуются сепараторы и электролиты, которые вместе занимают почти 40% объема батареи и 25% ее массы. Заменив их твердыми электролитами (в основном органическими и неорганическими керамическими материалами), можно сократить расстояние между положительным и отрицательным электродами (традиционно заполненными сепараторами и электролитами, а теперь заполненными твердыми электролитами) всего до нескольких десятков микрон. Это означает, что батареи можно сделать меньше, что делает технологию твердотельных батарей важнейшим шагом на пути к миниатюризации аккумуляторов.
Высокая пластичность:
Преимущество использования керамики в качестве твердого электролита заключается в том, что она обладает удивительной пластичностью в тонком состоянии, несмотря на хрупкость керамики при повседневном контакте. Даже после сотен изгибов и сгибов емкость, эффективность заряда-разряда и срок службы батареи остаются практически неизменными. Это означает, что твердотельные батареи могут быть изготовлены в любой форме, обеспечивая большую гибкость дизайна электронных устройств, что может привести к появлению инновационных форм и структур и стимулировать технологические инновации.
Повышенная безопасность:
В традиционных литий-ионных батареях использование металлического лития в качестве материала анода может привести к образованию дендритов во время зарядки и разрядки. Дендриты - это игольчатые или древовидные структуры, образующиеся в результате неравномерного осаждения металлического лития в электролите. Эти дендриты могут расти и потенциально проникать в сепаратор, вызывая прямой контакт между положительным и отрицательным электродами, что приводит к короткому замыканию и, возможно, пожару или взрыву.
Кроме того, органические жидкие электролиты в традиционных батареях склонны к побочным реакциям, окислению, выделению газов и горению при высоких температурах. Твердые материалы позволяют полностью избежать этих проблем.
Улучшенные высоко- и низкотемпературные характеристики:
Диапазон рабочих температур заявленных на сегодняшний день твердотельных батарей составляет от -20°C до 105°C. В электролитах литий-ионных батарей используются легковоспламеняющиеся органические растворители, что создает опасность их использования при высоких температурах. В электролитах твердотельных батарей не используются легковоспламеняющиеся материалы, что делает их пригодными для использования при более высоких температурах.
При низких температурах подвижность ионов в жидких электролитах может замедляться, что снижает производительность и напряжение батареи. Твердые электролиты не замерзают, как жидкости, поэтому изменения внутреннего сопротивления минимальны, что обеспечивает лучшую производительность при низких температурах.
Сравнение литий-ионных и твердотельных аккумуляторов
| Характеристика | Литий-ионный аккумулятор | Твердотельный аккумулятор |
|---|---|---|
| Плотность энергии | 150-250 Вт-ч/кг | 250-500 Вт-ч/кг |
| Тип электролита | Жидкий или гелевый электролит | Твердый электролит |
| Безопасность | Риск утечки, пожара и взрыва | Меньше риска, больше стабильности |
| Рабочая температура | -20°C до 60°C | -30°C до 100°C |
| Цикл жизни | 500-1000 циклов | 1000-3000 циклов |
| Стоимость | Относительно низкий | В настоящее время высокий |
| Сложность производства | Налаженные процессы | Сложные, менее устоявшиеся |
| Коммерческая доступность | Широко доступны | Ограничено, в разработке |
Три основных пути развития твердотельных аккумуляторов
QuantumScape
История компании: Компания QuantumScape была основана в 2010 году под руководством президента и генерального директора доктора Джагдипа Сингха. Штаб-квартира компании находится в Сан-Хосе, штат Калифорния, а деятельность ведется как в США, так и в Японии.
Технология: QuantumScape специализируется на оксидных технологиях. Их твердотельная батарея уникальна тем, что в ней не задается материал анода. При зарядке чистый металлический литий превращается в ионы лития, которые мигрируют на другую сторону батареи, образуя анод, - эту технологию они называют "безанодной". Это стало возможным благодаря запатентованному керамическому материалу, используемому для сепаратора батареи, который позволяет ионам лития свободно перемещаться, предотвращая реакцию металла лития с материалом катода и образование дендритов.
Преимущества: Компания QuantumScape создала более 200 патентов и заявок. Их запатентованный твердотельный керамический сепаратор в сочетании с органическими жидкими электролитами (католитами) позволяет создавать индивидуальные материалы католитов, лучше подходящие для требований к напряжению и передаче катода.
Последние достижения: 27 марта 2024 года компания QuantumScape начала поставку прототипов Alpha-2 заказчикам.
Твердая сила
История компании: Джон Ван Скотер занимает должность генерального директора и президента с июня 2023 года. Компания Solid Power сотрудничает с BMW и Ford, а ее штаб-квартира находится в Луисвилле, штат Колорадо.
Технология: Solid Power специализируется на сульфидных технологиях, использующих запатентованный твердый электролит на основе сульфидов. В качестве катодного материала используется NMC, и у компании есть две технологии батарей с использованием различных анодных материалов: одна с высоким содержанием кремния, другая - с металлическим литием.
Преимущества: Ключевой компонент Solid Power - твердый электролит на основе сульфидов, который обеспечивает оптимальное сочетание проводимости, технологичности и производительности батарей.
Последние достижения: 16 января 2024 года компания Solid Power подписала новое соглашение с SK, направленное на углубление их партнерства.
Дайсон (Сакти3)
Общие сведения о компании (Dyson): Dyson - британская технологическая компания, специализирующаяся на производстве товаров для дома, с командой изобретателей из 1200 ученых и инженеров. Dyson начала свою собственную программу по созданию аккумуляторов более десяти лет назад.
Общие сведения о компании (Sakti3): В 2015 году компания Sakti3 была приобретена компанией Dyson Ltd. Компания Sakti3 была основана в 2007 году д-ром Энн Мари Састри, д-ром Чиа-Вей Ванг и д-ром Фабио Альбано в качестве спин-аута Мичиганского университета.
Технология: Sakti3 использует технологию тонкопленочного осаждения, обычно применяемую в фотоэлектрических солнечных батареях. В их твердотельных батареях нет жидких электролитов, вместо этого используется "сэндвич"-структура для обеспечения нормальной передачи ионов.
Преимущества: Компания Dyson сообщила, что твердотельные батареи Sakti3 способны достичь сверхвысокой плотности энергии 550 Вт-ч/кг, что почти вдвое превышает максимальную плотность энергии в 300 Вт-ч/кг для троичных литиевых батарей.
Последние достижения: 16 июня 2023 года компания Dyson объявила о планах открыть в Сингапуре передовой завод по производству батарей нового поколения.
Toyota
История компании: Toyota занимается разработкой твердотельных аккумуляторов с 2006 года, уделяя особое внимание сульфидной технологии. Компания имеет более 1300 патентов на твердотельные батареи, а ее штаб-квартира находится в Токио, Япония.
Технология: Информация, раскрытая компанией Toyota, указывает на то, что основное внимание уделяется сульфидной технологии.
Преимущества: Toyota владеет 1331 патентом на твердотельные батареи, охватывающим их структуру, применение материалов и производственные процессы, что делает ее компанией с наибольшим количеством патентов в мире. Они планируют начать коммерческое производство в 2026-2027 годах.
Последние достижения: 13 июня 2024 года компания Toyota объявила о технологическом прорыве, который позволит решить давнюю проблему долговечности аккумуляторов.
Ampcera
История компании: Штаб-квартира компании Ampcera находится в Кремниевой долине, штат Калифорния, и была основана в 2017 году. Генеральный директор - доктор Сумин Чжу.
Технология: Технология ASSB компании Ampcera включает в себя защищенные по стандарту IP сульфидные материалы с твердым электролитом, предназначенные для сверхбыстрой зарядки. В них используются высокоемкие катоды NMC и аноды на основе кремния для достижения целевой плотности энергии 400 Вт-ч/кг.
Преимущества: Технология полностью твердотельных батарей (ASSB) компании Ampcera позволила достичь быстрой зарядки от 0 до 80% состояния заряда (SOC) за 15 минут при пиковой скорости C 4C.
Последние достижения: 25 февраля 2024 года технология полностью твердотельных батарей Ampcera превзошла цель Министерства энергетики США по экстремальной быстрой зарядке - 80% заряда за 15 минут.
Samsung SDI
История компании: Штаб-квартира Samsung SDI находится в Йонгине, Кёнги-до, Южная Корея, а генеральным директором является Юн Хо Чой.
Технология: Компания специализируется на сульфидных электролитах, используя композитный Ag-C анод без избытка лития. Слой Ag-C эффективно регулирует осаждение лития, обеспечивая длительный срок службы электрохимического цикла.
Преимущества: Технология твердотельных батарей Super-Gap от Samsung SDI имеет плотность энергии 900 Вт-ч/л, что на 40% больше, чем у существующих литий-ионных батарей. Они заявляют о способности заряжать призматический элемент с 8% до 80% за 9 минут. Массовое производство запланировано на 2026 год.
Последние достижения: В марте 2024 года компания Samsung SDI объявила о планах начать массовое производство твердотельных батарей для электромобилей и других применений к 2027 году.
Китайские производители
Китайские производители батарей более сдержанны, но известно, что BYD и CATL разрабатывают твердотельные батареи. В мире насчитывается 20 798 заявок на патенты по ключевым технологиям для твердотельных батарей, из них на Китай приходится 7640, или 36,7%. За последние пять лет ежегодные темпы роста числа заявок на патенты по твердотельным батареям в Китае составляли 20,8%, что является самым высоким показателем в мире.
Мнения о твердотельных батареях от других лидеров отрасли
Проблемы твердотельных аккумуляторов
Высокая стоимость
Для сульфидного способа стоимость сульфидных твердых электролитов в настоящее время превышает $195 за килограмм, гораздо выше, чем $50 за килограмм, необходимый для коммерциализации. Эта проблема обусловлена высокой стоимостью сульфида лития (не менее $650 за килограмм), необходимого для синтеза сульфидных твердых электролитов. Кроме того, высокоэффективные материалы (например, керамика высокой чистоты) и сложные технологические процессы, используемые в твердотельных батареях, значительно повышают их стоимость по сравнению с традиционными литий-ионными батареями.
Производственные трудности
При использовании сульфидного твердого электролита производство затруднено из-за склонности электролита к реакции с влагой и кислородом. Это требует строго контролируемой производственной среды, в идеале - в герметичной камере, заполненной инертным газом.
Низкая ионная проводимость
В твердотельных батареях контакт между электродом и электролитом меняется с твердо-жидкого на твердо-твердый. По сравнению с жидкими электролитами площадь контакта между твердыми телами меньше, что приводит к увеличению межфазного сопротивления. Кроме того, твердые электролиты содержат множество границ зерен, которые часто имеют более высокое сопротивление, чем основной материал, что препятствует переносу литий-иона между электродами и негативно сказывается на производительности быстрой зарядки и сроке службы.
Низкий ресурс цикла
Контакт "твердое тело - твердое тело" в твердотельных батареях более жесткий, что делает его более чувствительным к изменениям объема электродных материалов. Во время цикличности это может привести к плохому контакту между частицами электрода и между частицами электрода и электролитомЭто приводит к накоплению напряжения, ухудшению электрохимических характеристик и даже появлению трещин, что может быстро снизить емкость и привести к низкому сроку службы.
Когда появятся твердотельные аккумуляторы?
По состоянию на июль 2024 года не существует действительно коммерчески доступных полностью твердотельных батарей. Китайские автопроизводители, утверждающие, что используют твердотельные батареи, на самом деле используют полутвердые батареи с пониженным содержанием жидкости. По аналогии с литиевыми батареями, которым потребовались десятилетия, чтобы пройти путь от зарождения технологии до широкого применения, многие эксперты считают, что твердотельным батареям потребуется еще больше времени для проверки и технологических прорывов.
Однако ожидание не может быть бесконечным. Значительный потенциал твердотельных батарей подстегнул интенсивную конкуренцию, ускорив прогресс в этой области. Многие производители называют 2027 год годом коммерческого внедрения твердотельных батарей. Давайте следить за развитием событий по мере продвижения отрасли к этой амбициозной цели.
Экономия денег, защита окружающей среды
PKNERGY поможет вам сократить расходы на электроэнергию для вашего дома, храня солнечную энергию для использования в любое время - ночью или во время отключения.
RU 
EN 
FR 
ES 
DE 
IT 
PT 
ID 
SL 
KO 