I den nåværende bølgen av kraftig utvikling av nye energiteknologier har solid-state-batteri, som en svært lovende neste generasjons batteriteknologi, vekket omfattende oppmerksomhet fra alle samfunnslag. Ettersom folks krav til utholdenhet av elektroniske enheter og kjøreområdet for elektriske kjøretøyer fortsetter å øke, og deres vekt på batterisikkerhetsytelsen vokser dag for dag, er solid-state-batteri høyt forventet å adressere mange smertepunkter med tradisjonelle flytende litium-ion-batterier når det gjelder sikkerhet og rekkevidde. Før dens store popularisering og anvendelse, henger imidlertid et sentralt spørsmål i forbrukernes sinn: er imidlertid solid-state batteri trygt og i stand til å gi lang rekkevidde? For å svare på dette spørsmålet, må vi fordype oss i arbeidsmekanismen, tekniske egenskaper og aktuell forsknings- og anvendelsesstatus for solid-state-batterier.
Arbeidsprinsipp og strukturelle egenskaper ved solid-state-batteri
Kjerneforskjellen mellom solid-state-batteri og tradisjonelt flytende litium-ion-batteri ligger i form av elektrolytt. Tradisjonelle flytende litium-ion-batterier bruker flytende elektrolytt for å oppnå lading og utladingsprosess gjennom bevegelse av litiumioner mellom de positive og negative elektrodene. I kontrast bruker faststoffbatterier fast elektrolytt, som vanligvis er laget av keramiske, polymer eller sulfidmaterialer. I faststoffbatterier deintercalates litium også fra den positive elektroden under lading og interkalat i den negative elektroden gjennom den faste elektrolytten; Under utlading beveger de seg i motsatt retning, mens elektroner strømmer fra den negative elektroden til den positive elektroden gjennom den eksterne kretsen, og genererer strøm for å drive enheten.
Bruken av fast elektrolytt gir faststoffbatterier med unike strukturelle egenskaper. Sammenlignet med flytende elektrolytt, som krever en separator for å forhindre kortslutning mellom de positive og negative elektrodene, har fast elektrolytt i seg selv de doble funksjonene til ioneledning og elektrodeisolering, noe som gjør batteristrukturen mer kompakt. I mellomtiden viser fast elektrolytt høyere stabilitet og er mindre utsatt for flyktighet og lekkasje, og legger et grunnlag for forbedret ytelse for batterisikkerhet.
Sikkerhetsytelse for solid-state-batteri
Tradisjonelle flytende litium-ion-batterier utgjør en risiko for termisk løp under høye temperaturforhold. Når batteritemperaturen overstiger en viss terskel, for eksempel 80 grader, kan væskeelektrolytten dekomponere for å produsere brennbare gasser, og sidereaksjoner i batteriet intensiveres, noe som fører til en rask ansamling av varme og til slutt får batteriet til å ta fyr eller til og med eksplodere. Data fra det tyske TüV -testbyrået avslører tydelig denne skjulte faren.
Solid-state-batterier viser betydelige fordeler i termisk stabilitet. På grunn av fraværet av flyktige og brennbare flytende komponenter i fast elektrolytt, er dens termiske stabilitet mye høyere enn for flytende elektrolytt. Punkteringstesten utført av den nye energi- og industrielle teknologiutviklingsorganisasjonen (NEDO) i Japan er imponerende: Når en stålnål punkterer et solid-state-batteri, stiger batteritemperaturen bare med 2 grader, mens et tradisjonelt flytende litium-ion-batteri vil fange fyr og eksplodere i løpet av bare 3 sekunder. Dette eksperimentelle resultatet viser visuelt den overlegne sikkerheten til faststoffbatterier i møte med ekstreme mekaniske overgrep.
I et papir med tittelen "Er solid-state-batterier tryggere enn (flytende) litium-ion-batterier?" Forskere ble publisert i Science i april 2022, diskuterte forskere varmeutløsningen og temperaturstigningsgrensene for flytende litium-ion-batterier, halvfastede batterier med en viss mengde elektrolytt og batterier med alle solidestillinger under tre termiske løpscenarier. Studien fant at i den termiske løpstilstanden forårsaket av ekstern oppvarming, overgår all-solid-tilstand-batterier semi-solid og flytende litium-ion-batterier. Den høye tettheten av fast elektrolytt i batterier med alle solid-tilstand kan danne en effektiv gassbarriere, og forhindrer kontakt mellom litium på den negative elektroden og oksygen frigitt fra den positive elektroden. I dette hypotetiske scenariet ville det ikke være noen betydelig varmeutgivelse.
Inhibering av litiumdendrittvekst
Under lade- og utladingsprosessen med tradisjonelle flytende litium-ion-batterier, kan litiumioner direkte krystallisere på overflaten av den negative elektroden under hurtiglading, og danne farlige litiumdendritter. Veksten av litiumdendritter fører ikke bare til forfall av batterikapasitet, men kan også punktere separatoren, noe som forårsaker en kortslutning mellom de positive og negative elektrodene og utløser en sikkerhetshendelse. Denne skjulte faren ble avslørt av ingeniører fra CATL.
Solid-state-batterier viser potensial for å hemme litiumdendrittvekst. Den spesielle strukturen og egenskapene til fast elektrolytt kan gi en mer ensartet bane for litiumion migrasjon, noe som reduserer muligheten for litiumdendrittdannelse. Selv om vekst fullstendig eliminerer litiumdendrittvekst fremdeles utfordringer i praktiske anvendelser, er forbedringstrenden med solid-state-batterier i denne forbindelse tydelig sammenlignet med flytende litium-ion-batterier.
Potensiell sikkerhetsrisiko
Til tross for de mange fordelene med solid-state-batterier når det gjelder sikkerhet, er de ikke helt trygge. I visse ekstreme tilfeller, for eksempel når den faste elektrolytten mislykkes eller litium-dendritter trenger inn i den faste elektrolytten, noe som forårsaker en kortslutning, er sikkerheten til alle faste batterier og semi-faste batterier ikke overlegen den for flytende litiumion-batterier. Professor Ai Xinping fra School of Chemistry and Molecular Sciences ved Wuhan University påpeker at påstanden om at batterier med alle solidestasjoner både har både høy energitetthet og god sikkerhet, faktisk innebærer en konseptuell hånd. Fordi noen materialer i faststoffbatterier kan produsere giftige gasser som hydrogensulfid i tilfelle en ulykke, selv om de ikke direkte vil forbrenne mennesker som tradisjonelle batterier, er hydrogensulfidgass giftig og kan forårsake alvorlig skade på menneskekroppen.
Potensialet til solid-state batteri i rekkevidde
I teorien har solid-state-batterier potensialet til å oppnå høy energitetthet, noe som forventes å forbedre utholdenheten til enheter betydelig. Fast elektrolytt tillater bruk av rent metallisk litium som den negative elektroden, noe som betydelig øker energilagringskapasiteten per volum enhet. Eksperimentelle data fra Qingdao Institute of BioEnergy and Bioprocess Technology fra Chinese Academy of Sciences viser at energitettheten til deres faststoffbatteriprøver har overskredet 500WH\/kg, mens energitettheten til 21700-batteriet som ble brukt i Tesla Model 3 er bare 260wh\/kg.
Å ta elektriske kjøretøyer som et eksempel, har kjøreområde alltid vært et fokus for forbrukernes oppmerksomhet. Kunpeng-batteri fra Chery, som en representant for solid-state-batterier, planlegger å oppnå en energitetthet på 400Wh\/kg i 2024 og øke det til 600WH\/kg i 2025. I henhold til planen, når masseprodusert i 2027, forventes det rene elektriske kjøreområdet å overstige 1500 km. Hvis disse målene oppnås, vil det lindre rekkevidden for elektriske kjøretøybrukere.
Utfordringer i faktisk rekkevidde
Fra laboratoriet til praktiske applikasjoner står imidlertid faststoffbatterier fremdeles noen utfordringer når det gjelder rekkevidde. For det første er grensesnittimpedansen mellom fast elektrolytt og elektroder relativt fremtredende, noe som tilsvarer å sette opp en bompenger på en motorvei, hindre den raske overføringen av litiumioner og påvirke batteriets lading og utladningseffektivitet, og påvirker dermed rekkevidden. For det andre øker den fatale feilen for sulfidelektrolytt, som gir meget giftig hydrogensulfid når den blir utsatt for vann, ikke bare sikkerhetsrisiko under batteriproduksjon og bruk, men gir også alvorlige utfordringer for batteriets stabilitet og pålitelighet. I tillegg fører det lave utbyttet av fast elektrolyttfilmforberedelse til høye produksjonskostnader i stor skala, og begrenser den utbredte anvendelsen av solid-state-batterier og indirekte påvirker prosessen med å demonstrere deres langdistansefordeler i markedet.
Konklusjon og utsikter
Oppsummert viser solid-state-batterier et betydelig potensial når det gjelder sikkerhet og rekkevidde. Når det gjelder sikkerhet, er deres termiske stabilitetsfordeler tydelige, og de kan effektivt hemme litiumdendrittvekst, noe som gjør dem mer trygge og pålitelige enn tradisjonelle flytende litium-ion-batterier i de fleste tilfeller. I møte med ekstreme situasjoner som fast elektrolyttfeil, er det imidlertid fortsatt visse sikkerhetsrisikoer. Når det gjelder rekkevidde, gir den teoretiske fordelen med høy energitetthet muligheten for lang rekkevidde, og noen eksperimentelle data og bedriftsplaner viser også lovende utsikter. I praktiske anvendelser har imidlertid spørsmål som grensesnittimpedans, elektrolyttfeil og kostnader blitt hindringer som hindrer full realisering av deres langdistansefordeler.
Til tross for at de har mange utfordringer, blir solid-state-batterier fortsatt sett på som en viktig utviklingsretning for neste generasjons batteriteknologier.