В настоящата вълна на енергично развитие на нови енергийни технологии батерията с твърдо състояние, като изключително обещаваща технология за батерии от следващо поколение, привлече широко внимание от всички сфери на живота. Тъй като изискванията на хората за издръжливост на електронните устройства и обхвата на шофиране на електрически превозни средства продължават да се увеличават и акцентът им върху ефективността на безопасността на батерията нараства всеки ден, батерията с твърдо състояние се очаква да се справи с много точки на болка на традиционните течни литиево-йонни батерии по отношение на безопасността и обхвата. Въпреки това, преди мащабната му популяризация и приложение, ключов въпрос се задържа в съзнанието на потребителите: Безопасно ли е твърдо състояние на батерията и способен да осигури на дълги разстояния? За да отговорим на този въпрос, трябва да се задълбочим в работния механизъм, техническите характеристики и текущото изследване и състоянието на приложението на батериите с твърдо състояние.
Принцип на работа и структурни характеристики на батерията с твърдо състояние
Основната разлика между батерията с твърдо състояние и традиционната течно литиево-йонна батерия се намира под формата на електролит. Традиционните течни литиево-йонни батерии използват течен електролит за постигане на процеса на зареждане и изхвърляне чрез движение на литиеви йони между положителните и отрицателните електроди. За разлика от тях, твърдото батерии използват твърд електролит, който обикновено се изработва от керамични, полимерни или сулфидни материали. В батерии с твърдо състояние литиевите йони също деинтеркалат от положителния електрод по време на зареждане и интеркалиране в отрицателния електрод през твърдия електролит; По време на изхвърлянето те се движат в обратна посока, докато електроните текат от отрицателния електрод към положителния електрод през външната верига, генерирайки ток за захранване на устройството.
Използването на плътни електролитни дарява твърдо състояние на батерии с уникални структурни характеристики. В сравнение с течния електролит, който изисква сепаратор, за да се предотврати късо съединение между положителните и отрицателните електроди, самият твърд електролит има двойните функции на йонната проводимост и изолацията на електрода, което прави структурата на батерията по-компактна. Междувременно солидният електролит проявява по -висока стабилност и е по -малко предразположен към изпаряване и изтичане, поставяйки основа за подобрени характеристики на безопасността на батерията.
Безопасна ефективност на батерията с твърдо състояние
Традиционните течни литиево-йонни батерии представляват риск от термично бягство при условия на висока температура. Когато температурата на батерията надвишава определен праг, като 80 градуса, течният електролит може да се разлага, за да произвежда запалими газове, а страничните реакции в батерията се засилват, което води до бързо натрупване на топлина и в крайна сметка причинява на батерията да се запали или дори да избухне. Данните от германската агенция за тестване на Tüv ясно разкриват тази скрита опасност.
Батериите с твърдо състояние проявяват значителни предимства в термичната стабилност. Поради липсата на летливи и запалими течни компоненти в твърд електролит, топлинната му стабилност е много по -висока от тази на течния електролит. Тестът за пункция, проведен от новата организация за развитие на енергийните и индустриалните технологии (NEDO) на Япония, е впечатляващ: когато стоманената игла пробива твърдо състояние, температурата на батерията се повишава само с 2 градуса, докато традиционната течно литиево-йонна батерия ще се запали и ще избухне само за 3 секунди. Този експериментален резултат визуално демонстрира превъзходната безопасност на батериите с твърдо състояние в лицето на изключителна механична злоупотреба.
В хартия, озаглавена "Батериите с твърдо състояние са по-безопасни от (течните) литиево-йонни батерии?" Публикувани в Science през април 2022 г., изследователите обсъждат границите на топлината и повишаването на температурата на течни литиево-йонни батерии, полурегитални батерии с определено количество електролит и всеобхватни батерии при три сценария на термично бягство. Проучването установи, че в състояние на термично бягство, причинено от външно отопление, батериите с всеобхватна държава превъзхождат полурегинални и течни литиево-йонни батерии. Високата плътност на твърдия електролит в батерии с всеобщо състояние може да образува ефективна газова бариера, предотвратявайки контакт между литий върху отрицателния електрод и кислород, освободен от положителния електрод. В този хипотетичен сценарий няма да има значително освобождаване на топлина.
Инхибиране на растежа на литиевия дендрит
По време на процеса на зареждане и изхвърляне на традиционните течни литиево-йонни батерии литиевите йони могат директно да кристализират върху повърхността на отрицателния електрод по време на бързо зареждане, образувайки опасни литиеви дендрити. Растежът на литиевите дендрити не само води до разпадане на капацитета на батерията, но може също така да пробие сепаратора, причинявайки късо съединение между положителните и отрицателните електроди и задействайки инцидента с безопасността. Тази скрита опасност беше разкрита от инженери от CATL.
Батериите с твърдо състояние показват потенциал за инхибиране на растежа на литиевия дендрит. Специалната структура и свойствата на твърдия електролит могат да осигурят по -равномерен път за миграция на литиеви йони, намалявайки възможността за образуване на литиев дендрит. Въпреки че напълно елиминирането на растежа на литий дендрит все още представлява предизвикателства в практическите приложения, тенденцията за подобряване на батериите с твърдо състояние в това отношение е очевидна в сравнение с течните литиево-йонни батерии.
Потенциални рискове за безопасност
Въпреки многото предимства на батериите от твърдо състояние по отношение на безопасността, те не са абсолютно безопасни. В определени крайни случаи, например когато твърдият електролит се провали или литиевите дендрити проникват в твърдия електролит, причинявайки късо съединение, безопасността на всеобхватните батерии и полутвърдите батерии не е по-добра от тази на течните литиево-йонни батерии. Професор Ай Xinping от Школата по химия и молекулярни науки в Университета Ухан изтъква, че твърдението, че батериите с всеобхватна държава имат както висока енергийна плътност, така и добра безопасност, всъщност включва концептуална ръка на ръка. Тъй като някои материали в твърди батерии могат да произвеждат токсични газове като сероводород в случай на злополука, въпреки че те няма да изгарят директно хора като традиционни батерии, газът на сероводородния сулфид е токсичен и може да причини сериозна вреда на човешкото тяло.
Потенциал на батерията с твърдо състояние в обхват
На теория батериите с твърдо състояние имат потенциал да постигнат висока енергийна плътност, което се очаква значително да подобри издръжливостта на устройствата. Твърдият електролит позволява използването на чист метален литий като отрицателен електрод, което значително увеличава капацитета за съхранение на енергия на единица обем. Експерименталните данни от Института за биоенергия и биопроцес на Кингдао на Китайската академия на науките показват, че енергийната плътност на техните проби от твърдо състояние на батерията надвишава 500Wh/kg, докато енергийната плътност на батерията 21700, използвана в Tesla модел 3, е само 260Wh/kg.
Приемането на електрически превозни средства като пример, обхватът на шофирането винаги е бил фокус на вниманието на потребителите. Kunpeng Battery от Chery, като представител на батерии от твърдо състояние, планира да постигне енергийна плътност от 400Wh/kg през 2024 г. и да я увеличи до 600Wh/kg през 2025 г. Според плана, когато се произвежда масово през 2027 г., чистият диапазон на шофиране се очаква да надвиши 1500 км. Ако тези цели се постигнат, това значително ще облекчи обхвата на тревожността на потребителите на електрически превозни средства.
Предизвикателства в действителния обхват
От лабораторията до практическите приложения обаче батериите със твърдо състояние все още са изправени пред някои предизвикателства по отношение на обхвата. Първо, интерфейсният импеданс между твърд електролит и електроди е сравнително изявен, което е сходно с настройването на кабина за такса на магистрала, пречи на бързото предаване на литиеви йони и влияе върху зареждането и зареждането на батерията, като по този начин влияе неблагоприятно на обхвата. Второ, фаталният недостатък на сулфидния електролит, който произвежда силно токсичен сероводород, когато е изложен на вода, не само увеличава рисковете за безопасност по време на производството и използването на батерията, но също така представлява тежки предизвикателства пред стабилността и надеждността на батерията. В допълнение, ниският добив на солидна подготовка на филми за електролити води до високи производствени разходи в голям мащаб, ограничавайки широкото приложение на твърди батерии и косвено влияе върху процеса на демонстриране на техните предимства на далечни разстояния на пазара.
Заключение и перспективи
В обобщение, батериите от твърдо състояние демонстрират значителен потенциал по отношение на безопасността и обхвата. По отношение на безопасността, техните предимства на термичната стабилност са очевидни и те могат ефективно да инхибират растежа на литиевия дендрит, което ги прави по-безопасни и надеждни от традиционните течни литиево-йонни батерии в повечето случаи. Въпреки това, пред екстремни ситуации като твърда електролитна повреда, все още има определени рискове за безопасност. По отношение на обхвата, теоретичното предимство на високата енергийна плътност предоставя възможност за дълги разстояния, а някои експериментални данни и корпоративни планове също показват обещаващи перспективи. Въпреки това, в практически приложения, проблеми като импеданс на интерфейса, дефекти на електролит и разходи се превърнаха в препятствия, възпрепятстващи пълната реализация на техните предимства на далечни разстояния.
Въпреки че са изправени пред множество предизвикателства, батериите със твърдо състояние все още се считат за важна посока на развитие на батериите от следващо поколение.