U trenutnom valu energičnog razvoja novih energetskih tehnologija, solidna baterija, kao vrlo obećavajuća tehnologija baterije sljedeće generacije, privukla je veliku pažnju svih slojeva života. Kako se zahtjevi ljudi za izdržljivost elektroničkih uređaja i raspon vožnje električnim vozilima i dalje povećavaju, a njihov naglasak na performansama sigurnosti baterije raste iz dana u dan, očekivano je da baterija čvrstog stanja rješava mnoge točke boli tradicionalnih litij-ionskih baterija u smislu sigurnosti i raspona. Međutim, prije svoje popularizacije i primjene velikih razmjera, ključno se pitanje zadržava u glavi potrošača: je li baterija čvrstog stanja sigurna i sposobna pružanje dugog dometa? Da bismo odgovorili na ovo pitanje, moramo se zaroniti u radni mehanizam, tehničke karakteristike i trenutni status istraživanja i primjene čvrstog stanja baterija.
Princip rada i strukturne karakteristike baterije od čvrstog stanja
Razlika jezgre između čvrstog stanja i tradicionalne tekuće litij-ionske baterije leži u obliku elektrolita. Tradicionalne tekuće litij-ionske baterije koriste tekući elektrolit kako bi postigli postupak punjenja i ispuštanja kroz kretanje litijevih iona između pozitivnih i negativnih elektroda. Suprotno tome, baterije u čvrstom stanju koriste čvrsti elektrolit, koji se obično izrađuje od keramičkih, polimernih ili sulfidnih materijala. U čvrstim baterijama, litijevi ioni također se deinterkaliraju od pozitivne elektrode tijekom punjenja i interkaliraju se u negativnu elektrodu kroz čvrsti elektrolit; Tijekom pražnjenja kreću se u suprotnom smjeru, dok elektroni teče iz negativne elektrode u pozitivnu elektrodu kroz vanjski krug, generirajući struju za napajanje uređaja.
Upotreba čvrstog elektrolita obdaruje baterije od čvrstog stanja jedinstvenim strukturnim karakteristikama. U usporedbi s tekućim elektrolitom, koji zahtijeva separator za sprečavanje kratkog spoja između pozitivnih i negativnih elektroda, sam čvrsti elektrolit ima dvostruke funkcije provodljivosti iona i izolacije elektroda, što čini strukturu baterije kompaktnije. U međuvremenu, kruti elektrolit pokazuje veću stabilnost i manje je sklon isparljivoj i curivanju, postavljajući temelj za poboljšane performanse sigurnosti baterije.
Sigurnosne performanse baterije od čvrstog stanja
Tradicionalne tekuće litij-ionske baterije predstavljaju rizik od toplinskog bijega u uvjetima visoke temperature. Kad temperatura baterije prelazi određeni prag, poput 80 stupnjeva, tekući elektrolit može se raspasti za stvaranje zapaljivih plinova, a nuspojave unutar baterije intenziviraju se, što dovodi do brzog nakupljanja topline i na kraju uzrokuje da baterija zapali ili čak eksplodira. Podaci njemačke agencije za testiranje Tüv jasno otkrivaju ovu skrivenu opasnost.
Baterije u čvrstom stanju pokazuju značajne prednosti u toplinskoj stabilnosti. Zbog nepostojanja hlapljivih i zapaljivih komponenti tekućine u čvrstom elektrolitu, njegova je toplinska stabilnost mnogo veća od one tekućeg elektrolita. Ispitivanje probijanja koji je provela Nova Organizacija za razvoj energetske i industrijske tehnologije (NEDO) Japan je impresivan: kada čelična igla probije bateriju u čvrstom stanju, temperatura baterije se samo povećava za 2 stupnja, dok će tradicionalna tekuća litij-ionska baterija zapaliti i eksplodirati u samo 3 sekunde. Ovaj eksperimentalni rezultat vizualno pokazuje superiornu sigurnost čvrstog stanja baterija uslijed ekstremnog mehaničkog zlostavljanja.
U papiru pod naslovom "Jesu li baterije od čvrstog stanja sigurnije od (tekućih) litij-inskih baterija?" Objavljeni u Science u travnju 2022., istraživači su razgovarali o ograničenjima porasta topline i porasta temperature tekućih litij-inskih baterija, polu-čvrstih baterija s određenom količinom elektrolita i baterijama sve-čvrstog stanja u tri toplinske scenarije. Studija je utvrdila da u stanju toplinskog odvajanja uzrokovano vanjskim grijanjem, baterije sa sve-čvrstom stanju nadmašuju polu-čvrste i tekuće litij-ionske baterije. Visoka gustoća čvrstog elektrolita u baterijama sa svim čvrstim državama može tvoriti učinkovitu plinsku barijeru, sprječavajući kontakt između litija na negativnoj elektrodi i kisika koji se oslobađa iz pozitivne elektrode. U ovom hipotetičkom scenariju ne bi bilo značajnog oslobađanja topline.
Inhibicija rasta litij dendrita
Tijekom postupka punjenja i ispuštanja tradicionalnih tekućih litij-inskih baterija, litijevi ioni mogu se izravno kristalizirati na površini negativne elektrode tijekom brzog punjenja, tvoreći opasne litijeve dendrite. Rast litijevih dendrita ne samo da dovodi do propadanja kapaciteta baterije, već može probiti i separator, uzrokujući kratki spoj između pozitivnih i negativnih elektroda i pokretanja sigurnosnog incidenta. Ovu skrivenu opasnost otkrili su inženjeri iz CATL -a.
Baterije u čvrstom stanju pokazuju potencijal u inhibiranju rasta litij dendrita. Posebna struktura i svojstva čvrstog elektrolita mogu pružiti ujednačeni put za migraciju litij -iona, smanjujući mogućnost stvaranja litij dendrita. Iako u potpunosti uklanja rast litij dendrita i dalje predstavlja izazove u praktičnim primjenama, trend poboljšanja baterija čvrstog stanja u tom je pogledu vidljiv u usporedbi s tekućim litij-ionskim baterijama.
Potencijalni sigurnosni rizici
Unatoč mnogim prednostima baterija od čvrstog stanja u pogledu sigurnosti, one nisu apsolutno sigurne. U određenim ekstremnim slučajevima, poput kada čvrsti elektrolit ne uspije ili litijev dendriti prodire u čvrsti elektrolit, uzrokujući kratki spoj, sigurnost baterija i polu-čvrstog stanja i polu-čvrstog baterija nije superiorna od tekućine litij-ionske baterije. Profesor Ai Xinping sa Škole za kemiju i molekularne znanosti na Sveučilištu Wuhan ukazuje da tvrdnja da baterije sa sve-čvrstom stanju imaju i visoku gustoću energije i dobru sigurnost zapravo uključuje konceptualnu ruku. Budući da neki materijali u čvrstom stanju mogu proizvesti toksične plinove poput sumporovodika u slučaju nesreće, iako oni neće izravno spaliti ljude poput tradicionalnih baterija, plin sumporovoznika je toksičan i može nanijeti ozbiljnu štetu ljudskom tijelu.
Potencijal baterije od čvrstog stanja u rasponu
Teoretski, baterije s čvrstim stanjem mogu postići visoku gustoću energije, što se očekuje da značajno poboljša izdržljivost uređaja. Čvrsti elektrolit omogućava upotrebu čistog metalnog litija kao negativne elektrode, što značajno povećava kapacitet za skladištenje energije po jedinici volumena. Eksperimentalni podaci iz Qingdao instituta za bioenergy i bioproces tehnologije Kineske akademije znanosti pokazuju da je energetska gustoća njihovih uzoraka baterija od čvrstog stanja premašila 500wh\/kg, dok je gustoća energije 21700 baterija korištena u Tesla Model 3 samo 260wh\/kg.
Uzimanje električnih vozila kao primjer, raspon vožnje uvijek je bio fokus pozornosti potrošača. Kunpeng baterija iz Cheryja, kao predstavnik čvrstog stanja, planira postići energetsku gustoću od 400wh\/kg 2024. godine i povećati je na 600wh\/kg u 2025. godine. Prema planu, kada se masovno proizvodi 2027., očekuje se da će čisti električni raspon vožnje preći 1500 km. Ako se ovi ciljevi postignu, to će uvelike ublažiti raspon anksioznosti korisnika električnih vozila.
Izazovi u stvarnom rasponu
Međutim, od laboratorija do praktične primjene, baterije s čvrstim stanjem i dalje se suočavaju s nekim izazovima u smislu raspona. Prvo, impedancija sučelja između čvrstog elektrolita i elektroda relativno je istaknuta, što je srodno postavljanju naplate na autocesti, ometajući brzi prijenos litijskih iona i utjecaj na bateriju punjenja i ispuštanja, čime je negativno utjecao na raspon. Drugo, smrtni nedostatak sulfidnog elektrolita, koji stvara visoko toksični vodikov sulfid kada je izložen vodi, ne samo da povećava sigurnosne rizike tijekom proizvodnje baterije i upotrebe, već predstavlja i ozbiljne izazove stabilnosti i pouzdanosti baterije. Osim toga, nizak prinos pripreme filma od čvrstog elektrolita dovodi do visokih troškova proizvodnje u velikoj mjeri, ograničavajući široku primjenu baterija od čvrstog stanja i neizravno utječući na proces demonstracije njihovih dugoročnih prednosti na tržištu.
Zaključak i izgledi
Ukratko, baterije od čvrstog stanja pokazuju značajan potencijal u pogledu sigurnosti i raspona. U pogledu sigurnosti, očigledne su njihove prednosti toplinske stabilnosti i mogu učinkovito inhibirati rast litij dendrita, što ih čini sigurnijim i pouzdanijim od tradicionalnih tekućih litij-inskih baterija u većini slučajeva. Međutim, usprkos ekstremnim situacijama poput kvara čvrstog elektrolita, još uvijek postoje određeni sigurnosni rizici. U pogledu raspona, teorijska prednost visoke gustoće energije pruža mogućnost dugotrajnog dometa, a neki eksperimentalni podaci i korporativni planovi također pokazuju obećavajuće izglede. Međutim, u praktičnim primjenama, problemi poput impedancije sučelja, oštećenja elektrolita i troškova postale su prepreke koje ometaju potpunu realizaciju njihovih dugoročnih prednosti.
Unatoč suočavanju s brojnim izazovima, baterije od čvrstog stanja i dalje se smatraju važnim razvojnim smjerom za tehnologije baterija nove generacije.