Які вдосконалені матеріали змінюють клітини твердого стану?
Пошуки вищого твердотільного акумуляторів змусили дослідників досліджувати різноманітний спектр передових матеріалів. Ці нові сполуки та композиції просувають межі того, що можливо в технології зберігання енергії.
Електроліти на основі сульфідів: стрибок вперед в іонній провідності
Серед найбільш перспективних матеріалів длятвердий стан акумулятораБудівництво-це сульфідні електроліти. Ці сполуки, такі як LI10GEP2S12 (LGPS), привернули значну увагу завдяки винятковій іонній провідності при кімнатній температурі. Ця властивість дозволяє швидше заряджати та розрядити, вирішуючи одне з ключових обмежень традиційних літій-іонних акумуляторів.
Сульфідні електроліти також виявляють сприятливі механічні властивості, що дозволяє краще контактувати між електролітом та електродами. Цей покращений інтерфейс знижує внутрішній опір і підвищує загальну продуктивність клітин. Однак проблеми залишаються з точки зору їх чутливості до вологи та повітря, що вимагає ретельних процесів виробництва та інкапсуляції.
Електроліти на основі оксиду: балансування стабільності та продуктивності
Електроліти на основі оксиду, такі як LLZO (LI7LA3ZR2O12), пропонують інтригуючу альтернативу матеріалам на основі сульфіду. Хоча, як правило, виявляючи нижню іонну провідність, оксидні електроліти можуть похвалитися чудовою хімічною та електрохімічною стабільністю. Ця стабільність означає довший термін експлуатації циклу та вдосконалені характеристики безпеки, що робить їх особливо привабливими для масштабних застосувань, таких як електромобілі.
Нещодавні досягнення допінгу та наноструктури оксидних електролітів призвели до значних поліпшень їх іонної провідності. Наприклад, LLZO, легований алюмінієм, показав перспективні результати, наближаючись до рівня провідності рідких електролітів, зберігаючи при цьому притаманні переваги безпеки твердотільних конструкцій.
Керамічні та полімерні електроліти: що працює краще?
Дебати між керамічними та полімерними електролітами в технології акумулятора твердого тіла тривають, кожен з яких пропонує унікальні переваги та проблеми. Розуміння характеристик цих матеріалів має вирішальне значення для визначення їх придатності для різних застосувань.
Керамічні електроліти: висока провідність, але крихка
Керамічні електроліти, включаючи вищезгадані сульфідні та оксидні матеріали, як правило, пропонують більш високу іонну провідність порівняно з їх полімерними аналогами. Це означає швидший час зарядки та більшу потужність потужності, що робить їх ідеальними для додатків, що потребують швидкого передачі енергії.
Однак жорсткий характер керамічних електролітів представляє проблеми з точки зору виробництва та механічної стабільності. Їх крихкість може призвести до розтріскування або розриву при стресі, потенційно потрохуючи цілісністьтвердий стан акумулятора. Дослідники вивчають композитні матеріали та нові методи виготовлення для пом'якшення цих проблем, зберігаючи високу провідність керамічних електролітів.
Полімерні електроліти: гнучкі та прості в обробці
Полімерні електроліти пропонують кілька переваг з точки зору гнучкості та простоти обробки. Ці матеріали можна легко формувати в різні форми та розміри, що забезпечує більшу свободу дизайну в конструкції акумуляторів. Притаманна їх гнучкість також допомагає підтримувати хороший контакт між електролітом та електродами, навіть коли акумулятор зазнає зміни обсягу під час зарядки та розряду.
Основним недоліком полімерних електролітів традиційно є їх нижча іонна провідність порівняно з керамікою. Однак останні досягнення полімерної науки призвели до розробки нових матеріалів із значно покращеною провідністю. Наприклад, зшиті полімерні електроліти, наповнені керамічними наночастинками, показали перспективні результати, поєднуючи гнучкість полімерів з високою провідністю кераміки.
Як графенові композити підвищують продуктивність клітин твердого стану
Graphene, Чудовий матеріал 21 століття, робить значні вторгнення в технології акумулятора твердого тіла. Його унікальні властивості використовуються для посилення різних аспектівтвердий стан акумуляторапродуктивність.
Покращена провідність електрода та стабільність
Включення графену в електродні матеріали показали неабиякі поліпшення як електронної, так і іонної провідності. Ця підвищена провідність сприяє більшій передачі заряду, що призводить до покращення щільності потужності та зниження внутрішнього опору. Більше того, механічна міцність графену допомагає підтримувати структурну цілісність електродів під час повторних циклів заряду, що призводить до кращої довгострокової стабільності та терміну експлуатації циклу.
Дослідники продемонстрували, що катоди, що посилюються графенами, такі як ті, що використовують літієвий фосфат заліза (LifePO4) у поєднанні з графеном, демонструють великі можливості та утримання потужностей порівняно зі своїми звичайними аналогами. Це вдосконалення пояснюється здатністю графена створювати електропровідну мережу в електродному матеріалі, полегшуючи ефективний транспорт електронів та іонів.
Графен як міжфазний шар
Однією з найважливіших проблем у проектуванні акумулятора твердого тіла є керування інтерфейсом між твердим електролітом та електродами. Графен виникає як багатообіцяюче рішення цієї проблеми. Включивши тонкий шар графену або оксиду графену в інтерфейс електрода-електроліту, дослідники спостерігали значні поліпшення стабільності та продуктивності клітин твердого стану.
Цей графен -інтернар служить декількома цілями:
1. Він діє як буфер, розміщуючи зміни обсягу під час циклу та запобігання розшаруванню.
2. Це підвищує іонну провідність на інтерфейсі, сприяючи більш плавному передачі іонів.
3. Це допомагає придушити утворення небажаних міжфазних шарів, які можуть підвищити внутрішній опір.
Застосування графену таким чином показало особливу обіцянку у вирішенні викликів, пов'язаних із використанням анодів металу літію в акумуляторах твердого стану. Літій метал пропонує надзвичайно високу теоретичну здатність, але схильний до утворення та реактивності дендриту з твердими електролітами. Ретельно інженерний інтерфейс графену може пом'якшити ці проблеми, прокладаючи шлях для твердотільних клітин високої енергії.
Графенові композитні електроліти
Крім його ролі в електродах та інтерфейсах, графен також досліджується як добавка в композитних твердих електролітах. Включивши невелику кількість графену або оксиду графену в керамічні або полімерні електроліти, дослідники спостерігали поліпшення як механічних, так і електрохімічних властивостей.
У полімерних електролітах графен може діяти як арматура, підвищуючи механічну міцність та розмірність матеріалу. Це особливо вигідно для підтримки хорошого контакту між компонентами як цикли акумулятора. Крім того, висока площа поверхні та провідність графена можуть створювати мережі перколяції в електроліті, що потенційно підвищує загальну іонну провідність.
Для керамічних електролітів додавання графену показали обіцянку покращити міцність та гнучкість перелому матеріалу. Це стосується одного з ключових обмежень керамічних електролітів - їх крихкості - не суттєво порушуючи їх високу іонну провідність.
Висновок
Розробка нових матеріалів длятвердий стан акумулятораТехнологія швидко просувається, обіцяючи майбутнє безпечніших, більш ефективних та більш високих рішень для зберігання енергії. Від електролітів на основі сульфіду та оксиду до інтеграції графену в різні компоненти акумулятора, ці нововведення прокладають шлях для наступного покоління акумуляторів, які могли б живити все, від смартфонів до електричних літаків.
По мірі того, як дослідження продовжуються, а виробничі процеси вдосконалюються, ми можемо очікувати, що тверезні державні акумулятори стають все більш конкурентоспроможними, і, врешті-решт, перевершують традиційну літій-іонну технологію. Потенційні переваги з точки зору безпеки, щільності енергії та довговічності роблять твердотільні батареї захоплюючою перспективою для широкого спектру застосувань.
Якщо ви хочете залишатися на передньому плані технології акумулятора, подумайте про вивчення передових твердотільних рішень, пропонованих Ebattery. Наша команда експертів присвячена забезпеченню сучасних рішень для зберігання енергії, пристосованих до ваших конкретних потреб. Для отримання додаткової інформації або обговорення того, як наша тверда державна акумуляторна технологія може принести користь вашому проекту, не соромтеся звернутися до насcathy@zyepower.com. Давайте живляємо майбутнім разом із передовою твердою технологією!
Посилання
1. Чжан, Л. та ін. (2022). "Розширені матеріали для твердотільних акумуляторів: виклики та можливості". Природа, 7 (2), 134-151.
2. Чен, Р. та ін. (2021). "Інтерфейси, посилені графенами, у твердотільних літієвих акумуляторах". Розширені енергетичні матеріали, 11 (15), 2100292.
3. Кім, Дж. Г. та ін. (2023). "Сульфід проти оксидних електролітів: порівняльне дослідження для твердотільних акумуляторів нового покоління". Журнал джерел влади, 545, 232285.
4. Ван, Ю. та ін. (2020). "Полімер-керамічні композитні електроліти для твердотільних літієвих акумуляторів: огляд." Матеріали для зберігання енергії, 33, 188-207.
5. Li, X. та ін. (2022). "Нещодавні досягнення матеріалів на основі графену для твердотільних батарейних додатків." Розширені функціональні матеріали, 32 (8), 2108937.
