Твердотільні батареї: коли «замінники» стануть «основними»?

Твердотільні акумуляториз’являються як джерело живлення наступного покоління, але гібридні твердо-рідкі батареї, ймовірно, першими будуть комерціалізовані та стануть важливим мостом між сучасними рідкими літій-іонними елементами та майбутніми твердотільними системами.

Що таке твердотільні акумулятори

Твердотільні батареї замінюють легкозаймисті рідкі електроліти твердими матеріалами, забезпечуючи при цьому вищу щільність енергії та кращі характеристики безпеки. Їх катоди можуть використовувати високоенергетичні матеріали, такі як збагачені літієм сполуки на основі марганцю, тоді як анод може поєднувати нанокремній і графіт, щоб збільшити щільність енергії до 300–450 Вт·год/кг.

Твердий електроліт переносить іони літію без ризику витоку та значно зменшує ймовірність термічного витоку.

Аноди більшої ємності та високовольтні катоди дають твердотільним батареям потенціал для збільшення запасу ходу в електромобілях і покращеної витривалості в безпілотниках або системах зберігання енергії.

Гібрид тверде тіло–рідина як перехід

У статті розрізняють рідинні, гібридні твердо-рідинні та повністю твердотільні літієві батареї, підкреслюючи, що гібридні конструкції є важливим перехідним етапом. Напівтверді, квазітверді та «тверді» батареї на ринку в основному належать до цієї гібридної категорії, відрізняючись лише співвідношенням рідкого та твердого електроліту.

Гібридні твердо-рідкі батареї все ще містять трохи рідкого електроліту, який покращує контакт з активними матеріалами та спрощує виробництво.

Повністю твердотільні батареї містять лише твердий електроліт, що забезпечує кращу внутрішню безпеку та вищу теоретичну щільність енергії, але сьогодні вони стикаються з більш серйозними інженерними проблемами.

Технічні бар'єри для повного твердотільного

Незважаючи на те, що багато компаній і дослідницьких інститутів по всьому світу інвестують у твердотільні технології, жоден твердотільний елемент живлення великої ємності ще не зрівнявся з рідкими літій-іонними батареями як за продуктивністю, так і за ціною. Основна складність полягає в межі тверде тіло – тверде тіло, де жорсткі електролітичні матеріали ускладнюють підтримку тісного контакту з електродами під час циклічного циклу та змін об’єму.

Поточні маршрути включають полімерні, тонкоплівкові, сульфідні та оксидні твердотільні батареї, кожна з яких має певні переваги та обмеження.

Наприклад, полімерні твердотільні клітини борються за кімнатної температури та високовольтних катодів, тоді як сульфідні системи чутливі до повітря та вимагають складних умов виробництва.

Стратегія затвердіння на місці

Щоб подолати проблеми з інтерфейсом, одночасно використовуючи існуючу літій-іонну інфраструктуру, дослідники пропонують підхід до затвердіння на місці для гібридних твердо-рідких електролітів. Під час складання комірок рідкий прекурсор забезпечує хороше змочування та контакт; пізніше хімічні або електрохімічні реакції перетворюють всю або частину цієї рідини на твердий електроліт всередині клітини.

Цей метод покращує контакт між електродом і електролітом, пригнічує ріст літієвих дендритів і врівноважує ефективність безпеки, високої напруги та швидкої зарядки.

Він також може повторно використовувати більшу частину поточного процесу виробництва рідкого літій-іону, допомагаючи виробникам швидше нарощувати масштаб і знижувати витрати.

Майбутні напрямки розвитку

Експерти очікують, що повністю твердотільним літієвим батареям знадобиться ще приблизно п’ять років до справжньої широкомасштабної комерціалізації, тому гібридні твердотільні батареї живлення залишаються реалістичним найближчим часом. Щоб прискорити індустріалізацію, стаття підкреслює необхідність скоординованого прогресу в матеріалах, дизайні клітин, виробництві та стандартах.

Серед пріоритетів: розробка твердих електролітів зі збалансованою іонною провідністю, стабільністю та технологічністю; узгодження високоенергетичних електродів, таких як катоди з високим вмістом нікелю та кремній-вуглецеві або літієві аноди; та інтеграція цифрового моделювання з інтелектуальним виробництвом.

Промисловість заохочується до побудови надійних ланцюгів постачання ключових матеріалів, інвестування в автоматизоване обладнання, удосконалення систем тестування та оцінки та поступового переходу від гібриду тверда рідина літій-іонні акумуляторидо повністю твердотільних літій-металевих батарей.