Что такое твердотельная (Solid-State) батарея?

Что такое твердотельная батарея?

Твердотельная батарея — это усовершенствованный тип батареи, в которой жидкий или гелевый электролит, используемый в традиционных литий-ионных батареях, заменен твердым электролитом. Это значительное изменение во внутренней структуре батареи направлено на повышение безопасности, энергетической плотности и общей производительности. Твердотельные батареи считаются многообещающей инновацией для различных областей применения, включая электромобили (EV), портативную электронику и хранение возобновляемой энергии, благодаря их потенциалу для повышения энергоэффективности и снижения рисков.

Новейшие технологии и проблемы твердотельных аккумуляторов

Твердотельные аккумуляторы работают по тем же основным принципам, что и традиционные аккумуляторы: они накапливают и высвобождают энергию посредством электрохимических реакций. Однако ключевое отличие заключается в составе электролита. Ниже представлены новейшие технологии и проблемы, связанные с электролитом твердотельных аккумуляторов.

Новейшие технологии

1. Твердые полимерные электролиты (SPE)

Твердые полимерные электролиты состоят из полимерной матрицы с растворенными солями лития. Последние разработки сосредоточены на:

• Полиэтиленоксиде (PEO): широко изучается из-за его ионной проводимости и гибкости.
• Полимеры на основе поликарбоната: обеспечивают лучшую термостойкость и более высокую ионную проводимость при комнатной температуре.
• Гибридные полимерные электролиты: сочетание полимеров с неорганическими наполнителями для улучшения механических свойств и ионной проводимости.

2. Керамические электролиты

Керамические электролиты обладают высокой ионной проводимостью и стабильностью, но представляют собой проблему с точки зрения хрупкости и совместимости интерфейсов:

•  LLZO гранатового типа (Li7La3Zr2O12): известен высокой ионной проводимостью и химической стабильностью с литием.
•  Тип NASICON (Li1+xAlxTi2−x(PO4)3): обеспечивает хорошую ионную проводимость и стабильность, но требует осторожного обращения, чтобы избежать чувствительности к влаге.
•  Электролиты перовскитового типа: Эти материалы (например, Li0.5La0.5TiO3) изучаются из-за их высокой ионной проводимости и потенциала стабильности при высоком напряжении.

3. Сульфидные электролиты

Сульфидные электролиты, такие как Li10GeP2S12 (LGPS), являются перспективными благодаря их высокой ионной проводимости и хорошим интерфейсным свойствам с электродами:

•  Thio-LISICON (Li3PS4): обладает высокой ионной проводимостью и способностью образовывать хорошие интерфейсы с литиевыми металлическими анодами.
•  Электролиты типа аргиродита (Li6PS5X, X = Cl, Br, I): известны своей высокой ионной проводимостью и простотой обработки.

4. Композитные электролиты

Композитные электролиты сочетают в себе полимеры и керамику, чтобы использовать преимущества обоих материалов, стремясь сбалансировать ионную проводимость, механическую прочность и гибкость.

Проблемы

1. Ионная проводимость

Достижение высокой ионной проводимости при комнатной температуре остается серьезной проблемой для многих твердых электролитов, особенно на полимерной основе.

2. Стабильность интерфейса

Обеспечение стабильного интерфейса с низким сопротивлением между твердым электролитом и электродами имеет решающее значение. Проблемы включают:

•  Образование литиевых дендритов: предотвращение роста литиевых дендритов, которые могут вызвать короткое замыкание батареи.
•  Деградация интерфейса: химические реакции на интерфейсе могут привести к деградации электролита и сокращению срока службы батареи.

3. Механические свойства

Очень важно сбалансировать механические свойства твердых электролитов, чтобы избежать растрескивания и сохранить контакт с электродами во время циклического использования.

4. Производство и масштабируемость

Разработка масштабируемых производственных процессов для твердотельных батарей, обеспечивающих стабильное качество и производительность, является серьезным препятствием.

5. Стоимость

Снижение стоимости материалов и производственных процессов, чтобы сделать твердотельные батареи экономически выгодными для широкого использования, остается постоянной проблемой.

Твердотельные батареи по сравнению с литий-ионными батареями

Сравнение твердотельных батарей с традиционными литий-ионными батареями выявляет несколько ключевых отличий и потенциальных преимуществ:

Безопасность

• Твердотельные батареи: твердые электролиты невоспламеняемы и могут значительно снизить риск теплового разгона и возгорания, что является известной проблемой жидких электролитов в литий-ионных батареях.
• Литий-ионная батарея: жидкие электролиты являются горючими и при определенных условиях, таких как перезарядка или физическое повреждение, могут загореться или взорваться.

Энергетическая плотность

• Твердотельная батарея: потенциал для более высокой энергетической плотности благодаря использованию литиевых металлических анодов и устранению громоздких жидких электролитов. Это может привести к увеличению срока службы батареи и увеличению дальности пробега электромобилей.
• Литий-ионная батарея: несмотря на постоянные усовершенствования, направленные на повышение плотности энергии, литий-ионные батареи, как правило, имеют более низкую плотность энергии по сравнению с твердотельными батареями.

Скорость зарядки/разрядки

• Твердотельная батарея: может обеспечить более высокую скорость зарядки и разрядки благодаря улучшенной ионной проводимости и стабильности. Однако это в значительной степени зависит от используемых материалов.
• Литий-ионные батареи: современные технологии позволяют относительно быструю зарядку, но существуют ограничения из-за риска перегрева и потери емкости со временем.

Долговечность и прочность

• Твердотельные батареи: обещают более длительный срок службы и лучшую прочность, поскольку твердые электролиты менее подвержены деградации и образованию дендритов (которые могут привести к короткому замыканию батареи).
• Литий-ионный аккумулятор: деградация со временем, особенно при многократных циклах зарядки, может снизить срок службы и эффективность аккумулятора.

Твердотельный аккумулятор против полутвердотельного аккумулятора

Разработка твердотельных и полутвердотельных аккумуляторов представляет собой значительный прогресс в технологии аккумуляторов, каждый из которых имеет свои отличительные характеристики и потенциальные преимущества. Как твердотельные, так и полутвердотельные батареи предлагают улучшения по сравнению с традиционными литий-ионными батареями, особенно с точки зрения безопасности и плотности энергии. Твердотельные батареи представляют собой более радикальный отход от традиционных технологий с более высокими потенциальными преимуществами, но также сталкиваются с большими техническими и производственными проблемами. Полутвердотельные батареи предлагают более сбалансированный подход с умеренными улучшениями в области безопасности и производительности и проще в массовом производстве. Ниже приведено сравнение этих двух типов батарей.

Преимущества твердотельных аккумуляторов

Использование твердотельных аккумуляторов дает ряд значительных преимуществ по сравнению с традиционными литий-полимерными аккумуляторами, что делает их привлекательным вариантом для будущих решений в области хранения энергии:

• Повышенная безопасность: негорючесть твердых электролитов снижает риск возгорания и взрыва аккумуляторов, что делает их более безопасной альтернативой для бытовой электроники, электромобилей и крупномасштабного хранения энергии.
• Более высокая энергетическая плотность: твердотельные батареи потенциально могут обеспечить гораздо более высокую энергетическую плотность, что приведет к увеличению срока службы батарей для портативных устройств и увеличению дальности пробега электромобилей.
• Более быстрая зарядка: улучшенная ионная проводимость в твердотельных батареях может обеспечить более быструю зарядку, что решает одну из критических проблем внедрения электромобилей и повышает удобство для потребителей.
• Долговечность: Стабильность твердых электролитов может привести к увеличению срока службы батарей, сокращению частоты их замены и снижению общей стоимости владения.
• Более широкий диапазон температур: Твердотельные батареи могут эффективно работать в более широком диапазоне температур, что делает их пригодными для различных условий и применений.
• Воздействие на окружающую среду: Потенциальное снижение воздействия на окружающую среду за счет более длительного срока службы батарей и отказа от токсичных и легковоспламеняющихся жидких электролитов.

Заключение

В заключение можно сказать, что твердотельные батареи представляют собой значительный прорыв в области аккумуляторных технологий, предлагая множество преимуществ по сравнению с традиционными литий-ионными батареями. Несмотря на то, что остаются нерешенными вопросы стоимости, масштабируемости производства и оптимизации материалов, постоянные исследования и разработки неуклонно приближают твердотельные батареи к широкому коммерческому использованию. Будущее накопления энергии и энергоснабжения может быть революционно изменено благодаря внедрению этой инновационной технологии.

Источник (2024-06-28): https://www.grepow.com/blog/what-is-a-solid-state-battery.html