Hvorfor er hel-solid-state-batterier en bransjetrend?
Høy sikkerhet:
Sikkerhetsproblemene til flytende batterier har alltid blitt kritisert. Elektrolytten er lett antennelig under høy temperatur eller kraftig støt. Under høy strøm vil litiumdendritter også se ut til å stikke hull i separatoren og forårsake kortslutning. Noen ganger kan elektrolytten gjennomgå bivirkninger eller brytes ned ved høye temperaturer. Den termiske stabiliteten til flytende elektrolytter kan bare opprettholdes opp til 100 grader, mens faste oksidelektrolytter kan nå 800 grader, og sulfider og halogenider kan også nå 400 grader. Faste oksider er mer stabile enn væsker, og på grunn av deres faste form er slagfastheten deres mye høyere enn væsker. Derfor kan solid-state batterier dekke folks behov for sikkerhet.
Høy energitetthet:
Foreløpig har ikke solid-state-batterier oppnådd en energitetthet som overstiger den for flytende batterier, men teoretisk sett kan solid-state-batterier oppnå svært høy energitetthet. Solid-state batterier trenger ikke å pakkes inn i væske for å forhindre lekkasje som flytende batterier. Derfor kan overflødige skall, innpakningsfilmer, varmeavledningsmaterialer osv. elimineres, og energitettheten kan forbedres betraktelig.
Høy effekt:
Litiumioner i flytende batterier bæres av ledning, mens litiumioner i solid-state batterier er av hoppledning, som er raskere og har en høyere lade- og utladningshastighet. Hurtiglading har alltid vært en vanskelighet i flytende batteriteknologi, fordi litium vil bli utfelt hvis ladehastigheten er for høy, men dette problemet eksisterer ikke i all-solid-state batterier.
Lav temperatur ytelse:
Flytende batterier fungerer vanligvis stabilt ved -10 grader til 45 grader , men kjørerekkevidden reduseres alvorlig om vinteren. Driftstemperaturen til faste elektrolytter er mellom -30 grader og 100 grader, så det vil ikke være noen reduksjon i batterilevetid bortsett fra i ekstremt kalde områder, og det kreves ikke noe komplekst termisk styringssystem.
Lang levetid:
Blant flytende batterier er gjennomsnittlig levetid for ternære batterier 500-1000 sykluser, og levetiden til litiumjernfosfat kan nå 2000 sykluser. Tynnfilmen helt i fast tilstand kan nå 45,000 sykluser i fremtiden, og 5C-levetiden i laboratoriet kan nå 10 000 ganger. Når produksjonskostnadene for samme energitetthet kan konvergeres, er kostnadseffektiviteten til solid state-batterier uten sidestykke.
Sammenligning av 4 faste uorganiske elektrolytter
Materialtypene av faste elektrolytter kan deles inn i fire kategorier: oksider, sulfider, polymerer og halogenider. Hver av disse fire typene elektrolytter har forskjellige fysiske og kjemiske egenskaper, som bestemmer vanskeligheten ved FoU, produksjon og industrialisering og dens fremtidige markedsposisjon.
Oksydelektrolytter:
Fordeler: Ioneledningsevnen er i midten, og den har best elektrokjemisk stabilitet, mekanisk stabilitet og termisk stabilitet. Den kan tilpasses høyspente katodematerialer og metalllitiumanoder. Utmerket elektronisk ledningsevne og ioneselektivitet. Samtidig har graden av utstyrskontinuitet og produksjonskostnad også store fordeler. Den omfattende evnen er den mest omfattende.
Ulemper: Reduksjonsstabiliteten er litt lav, sprø og kan forårsake sprekker.
Oksydelektrolytter har høy mekanisk styrke, god termisk og luftstabilitet og brede elektrokjemiske vinduer. Oksydelektrolytter kan deles inn i krystallinske og amorfe tilstander. Vanlige krystallinske oksidelektrolytter inkluderer perovskitttype, LISICON-type, NASICON-type og granattype. Oksydelektrolytter tåler høye spenninger, har høye dekomponeringstemperaturer og har god mekanisk styrke. Imidlertid er dens ioniske ledningsevne ved romtemperatur lav (<10-4 S/cm), it has poor contact with the solid-solid interface of the positive and negative electrodes, and it is usually thick (>200μm), noe som i stor grad reduserer volumenergitettheten til batteriet. Gjennom elementdoping og korngrensemodifikasjon kan ledningsevnen ved romtemperatur for oksidelektrolytter økes til størrelsesorden 10-3 S/cm. Kontroll av krystallvolumet og tilsetning av polymerbelegg kan forbedre grenseflatekontakten mellom oksidelektrolytten og de positive og negative elektrodene. Ultratynne faste elektrolyttmembraner kan produseres ved løsnings-/slurrybeleggingsmetoder.
Sulfid elektrolytt:
Fordeler: høyeste ioneledningsevne, liten korngrensemotstand, god duktilitet og god ioneselektivitet.
Ulemper: dårlig kjemisk stabilitet, vil reagere med litiummetall, og reagere lett med fuktig luft. Kostnaden er høyere og de mekaniske egenskapene er dårlige. Foreløpig må produksjonen fortsatt utføres i et hanskerom, noe som gjør det vanskelig å masseprodusere i stor skala.
Sulfidelektrolytter har høy ledningsevne ved romtemperatur og god duktilitet, og deres stabilitet kan forbedres gjennom doping og belegg. Sulfidelektrolytter finnes for tiden i tre hovedformer: glass, glasskeramikk og krystaller. Sulfidelektrolytter har høy ledningsevne ved romtemperatur, som kan være nær den til flytende elektrolytter (10-4-10-2 S/cm), moderat hardhet, god fysisk kontakt med grensesnitt og gode mekaniske egenskaper. De er viktige kandidatmaterialer for solid-state batterier. Imidlertid har sulfidelektrolytter et smalt elektrokjemisk vindu, dårlig grensesnittstabilitet med positive og negative elektroder, og er svært følsomme for fuktighet. Det kan reagere med spormengder vann i luften og frigjøre giftig hydrogensulfidgass. Produksjon, transport og prosessering har svært høye miljøkrav. Modifikasjonsmetoder som doping og belegg kan stabilisere grensesnittet mellom sulfid og positive og negative elektroder, noe som gjør dem egnet for ulike typer positive og negative elektrodematerialer, og til og med brukt i litium-svovelbatterier.
Fremstillingen av sulfidelektrolyttbatterier har høye miljøkrav. Sulfidelektrolytter har høy ledningsevne og er relativt myke, og kan produseres ved beleggingsmetoder. Produksjonsprosessen er ikke veldig forskjellig fra den eksisterende produksjonsprosessen for flytende batterier, men for å forbedre grensesnittkontakten til batteriet, er det vanligvis nødvendig å utføre flere varmpressinger etter belegg og legge til et bufferlag for å forbedre grensesnittkontakten. Sulfidelektrolytter er svært følsomme for fuktighet og kan reagere med spormengder av vann i luften for å generere giftig gass hydrogensulfid, så miljøkravene for batteriproduksjon er svært høye.
Polymer elektrolytt:
Fordeler: god sikkerhet, god fleksibilitet og grensesnittkontakt, enkel å lage film.
Ulemper: Ioneledningsevnen er svært lav ved romtemperatur og termisk stabilitet er dårlig.
Den er fleksibel og enkel å behandle, og ledningsevnen kan forbedres gjennom tverrbinding, blanding, poding og tilsetning av myknere. De viktigste polymersubstratene som brukes i polymerelektrolytter inkluderer PEO, PAN, PVDF, PA, PEC, PPC osv. De viktigste litiumsaltene som brukes inkluderer LiPF6, LiFSI, LiTFSI osv. Polymerelektrolytter er enkle å tilberede, har god fleksibilitet og bearbeidbarhet, og kan brukes i fleksible elektroniske produkter eller batterier med ukonvensjonelle former. Den har god fysisk kontakt med de positive og negative elektrodene, og prosessen er relativt nær den for eksisterende litiumbatterier. Den kan enkelt brukes i masseproduksjon av batterier gjennom transformasjon av eksisterende utstyr. Imidlertid er romtemperatur ioneledningsevnen til polymerelektrolytter generelt svært lav (<10-6 S/cm). The most common PEO-based polymer electrolyte also has poor oxidation stability and can only be used for LFP positive electrodes. The room temperature conductivity of polymer electrolytes can be improved by cross-linking, blending, grafting, or adding a small amount of plasticizers with a variety of polymers. In-situ curing can improve the physical contact between the polymer electrolyte and the positive and negative electrodes to the level of liquid batteries. The design of asymmetric electrolytes can broaden the electrochemical window of polymer electrolytes. The battery manufacturing process developed earlier and is relatively mature. The polymer electrolyte layer can be prepared by dry or wet methods. Battery cells assembly is achieved through roll-to-roll compounding between electrodes and electrolytes. Both dry and wet methods are very mature, easy to manufacture large batteries, and are closest to the existing liquid battery preparation methods.
Halidelektrolytt:
Fordeler: lav elektronisk motstand, høy ioneselektivitet, høy reduksjonsstabilitet og ikke lett å knekke.
Ulemper: Den er fortsatt i laboratoriestadiet, har dårlig kjemisk stabilitet og oksidativ stabilitet, og har høy ionemotstand.
På grunn av de fremtredende fordelene og ulempene med halogenider og polymerer, vil den fremtidige globale konkurransen om faststoffbatterier hovedsakelig fokusere på oksider og sulfider. Faktisk, på grunn av den dårlige kjemiske stabiliteten, er typene materialer som kan velges for sulfidelektrolytter svært smale, men så lenge egnede materialer og prosessgjennombrudd finnes, kan denne mangelen rettes opp.
Men fra et industrialiseringsperspektiv vil komplekse prosesser føre til høyere kostnader og et skalatak, så faste oksidelektrolytter er for tiden hovedstrømmen i utviklingen av solid-state batterier. Fra flytende batterier til solid-state batterier vil det være et halvsolid batteritrinn, og det mest passende på dette stadiet er oksidbanen. Det er på grunn av dens omfattende ytelse og kostnadsfordeler. Halv-solid-state-batterier kan erstatte eksisterende flytende batterier raskere, og gradvis dra nytte av fordelene og kostnadseffektiviteten til solid-state-batterier.
Men med fremskritt av teknologi er det fortsatt uklart om verden vil bli dominert av oksider eller sulfider i fremtiden. Kjernen i solid-state batteriteknologi er forskning og utvikling av solid state elektrolytter. Selv om nåværende faste elektrolyttmaterialer har gjort store fremskritt, har de fortsatt problemer som dårlig ledningsevne, stor grensesnittmotstand og høye forberedelseskostnader. Fortsatt grunnforskning og teknologiske gjennombrudd er nødvendig for å forbedre ledningsevnen og stabiliteten til faste elektrolytter.
