Қатты күйдегі батареялар: «Ауыстырушылар» қашан «негізгі тірекке» айналады?

Қатты күйдегі батареяларкелесі буынның қуат көзі ретінде пайда болуда, бірақ гибридті қатты-сұйық батареялар алдымен коммерциялануы мүмкін және бүгінгі сұйық литий-иондық жасушалар мен болашақ қатты күйдегі жүйелер арасындағы шешуші көпір ретінде әрекет етеді.

Қатты күйдегі батареялар дегеніміз не

Қатты күйдегі батареялар жанғыш сұйық электролиттерді қатты материалдармен ауыстырады, сонымен бірге жоғары энергия тығыздығы мен қауіпсіздік көрсеткіштерін жақсартады. Олардың катодтары литийге бай марганец негізіндегі қосылыстар сияқты жоғары энергиялы материалдарды пайдалана алады, ал анод энергия тығыздығын 300-450 Вт/кг-ға дейін итеру үшін нано-кремний мен графитті біріктіре алады.

Қатты электролит литий иондарын ағып кету қаупінсіз тасымалдайды және термиялық қашу ықтималдығын айтарлықтай төмендетеді.

Сыйымдылығы жоғары анодтар мен жоғары вольтты катодтар қатты күйдегі батареяларға электр көліктерінде ұзағырақ жүру қашықтығын және дрондарда немесе энергия сақтау жүйелерінде төзімділікті арттыруға мүмкіндік береді.

Гибридті қатты – өтпелі сұйықтық

Мақалада сұйық, гибридті қатты-сұйық және толық қатты күйдегі литий батареялары ажыратылады, гибридті конструкциялар маңызды өтпелі кезең болып табылады. Нарықтағы жартылай қатты, квази қатты және «қатты» батареялар негізінен сұйық пен қатты электролитке қатынасында ғана ерекшеленетін осы гибридті санатқа жатады.

Гибридті қатты-сұйық батареяларда белсенді материалдармен байланысын жақсартатын және өндірісті жеңілдететін сұйық электролит әлі де бар.

Толық қатты күйдегі аккумуляторларда тек қатты электролит бар, ол жақсырақ ішкі қауіпсіздік пен жоғары теориялық энергия тығыздығын ұсынады, бірақ бүгінгі күні күрделірек инженерлік қиындықтарға тап болады.

Толық қатты күйдегі техникалық кедергілер

Дүние жүзіндегі көптеген компаниялар мен ғылыми-зерттеу институттары қатты дене технологиясына инвестиция салып жатқанымен, өнімділігі мен құны бойынша сұйық литий-ионды аккумуляторларға сәйкес келетін үлкен қуатты қатты күйдегі қуат ұяшығы әлі жоқ. Негізгі қиындық қатты электролиттік материалдар цикл және көлемді өзгерту кезінде электродтармен тығыз байланыста болуды қиындататын қатты-қатты интерфейсте жатыр.

Ағымдағы бағыттар полимерлі, жұқа пленкалы, сульфидті және оксидті қатты күйдегі батареяларды қамтиды, олардың әрқайсысының артықшылықтары мен шектеулері бар.

Мысалы, полимерлі қатты дене жасушалары бөлме температурасында және жоғары вольтты катодтармен күреседі, ал сульфидті жүйелер ауаға сезімтал және күрделі өндірістік жағдайларды талап етеді.

In-situ қатаю стратегиясы

Қолданыстағы литий-ионды инфрақұрылымды пайдалана отырып, интерфейс мәселелерін шешу үшін зерттеушілер гибридті қатты-сұйық электролиттер үшін in-situ қатаю тәсілін ұсынады. Ұяшықты құрастыру кезінде сұйық прекурсор жақсы сулануды және жанасуды қамтамасыз етеді; кейінірек химиялық немесе электрохимиялық реакциялар осы сұйықтықтың барлығын немесе бір бөлігін жасуша ішіндегі қатты электролитке айналдырады.

Бұл әдіс электрод-электролит байланысын жақсартады, литий дендритінің өсуін басады және қауіпсіздікті, жоғары кернеуді және жылдам зарядтау өнімділігін теңестіреді.

Ол сондай-ақ қазіргі сұйық литий-ионды өндіру процесінің көп бөлігін қайта пайдалана алады, бұл өндірушілерге жылдамырақ масштабтауға және шығындарды азайтуға көмектеседі.

Болашақ даму бағыттары

Сарапшылар толықтай қатты күйдегі литий батареяларына нағыз ауқымды коммерцияландыруға дейін шамамен бес жыл қажет болады деп күтеді, сондықтан гибридті қатты-сұйық қуат батареялары жақын арада нақты жол болып қала береді. Индустрияландыруды жеделдету үшін мақала материалдарда, ұяшықтарды жобалауда, өндірісте және стандарттарда келісілген прогрестің қажеттілігін көрсетеді.

Басымдықтарға мыналар жатады: теңдестірілген иондық өткізгіштікке, тұрақтылыққа және өңдеуге қабілетті қатты электролиттерді әзірлеу; жоғары никельді катодтар және кремний-көміртекті немесе литий металл анодтары сияқты жоғары энергиялы электродтарды сәйкестендіру; және цифрлық модельдеуді интеллектуалды өндіріспен біріктіру.

Өнеркәсіп негізгі материалдарды жеткізудің сенімді тізбегін құруға, автоматтандырылған жабдыққа инвестициялауға, сынақтар мен бағалау жүйелерін жетілдіруге және гибридті қатты-сұйықтықтан біртіндеп дамиды. литий-иондық батареялартолығымен қатты күйдегі литий металл батареяларына қатысты.