Hvorfor er hel-solid-state batterier en trend i branchen?
Høj sikkerhed:
Sikkerhedsspørgsmålene ved flydende batterier er altid blevet kritiseret. Elektrolytten er let antændelig under høje temperaturer eller kraftige stød. Under høj strøm vil lithiumdendritter også se ud til at gennembore separatoren og forårsage kortslutning. Nogle gange kan elektrolytten undergå sidereaktioner eller nedbrydes ved høje temperaturer. Den termiske stabilitet af flydende elektrolytter kan kun opretholdes op til 100 grader, mens oxid faste elektrolytter kan nå 800 grader, og sulfider og halogenider kan også nå 400 grader. Faste oxider er mere stabile end væsker, og på grund af deres faste form er deres slagfasthed meget højere end væsker. Derfor kan solid-state batterier opfylde folks behov for sikkerhed.
Høj energitæthed:
På nuværende tidspunkt har solid-state-batterier ikke opnået en energitæthed, der overstiger den for flydende batterier, men teoretisk kan solid-state-batterier opnå en meget høj energitæthed. Solid-state batterier behøver ikke at være pakket ind i væske for at forhindre lækage som flydende batterier. Derfor kan overflødige skaller, indpakningsfilm, varmeafledningsmaterialer osv. elimineres, og energitætheden kan forbedres væsentligt.
Høj effekt:
Lithium-ioner i flydende batterier bæres af ledning, mens lithium-ioner i solid-state-batterier er ved springledning, som er hurtigere og har en højere opladnings- og afladningshastighed. Hurtig opladning har altid været en vanskelighed i flydende batteriteknologi, fordi lithium vil blive udfældet, hvis opladningshastigheden er for høj, men dette problem eksisterer ikke i all-solid-state batterier.
Lav temperatur ydeevne:
Flydende batterier fungerer generelt stabilt ved -10 grader til 45 grader, men deres sejlafstand falder alvorligt om vinteren. Driftstemperaturen for faste elektrolytter er mellem -30 grader og 100 grader, så der vil ikke være nogen reduktion i batteriets levetid undtagen i ekstremt kolde områder, og der kræves ikke noget komplekst termisk styringssystem.
Lang levetid:
Blandt flydende batterier er den gennemsnitlige levetid for ternære batterier 500-1000 cyklusser, og levetiden for lithiumjernphosphat kan nå 2000 cyklusser. Den tynde film helt i fast tilstand kan nå 45,000 cyklusser i fremtiden, og 5C-levetiden i laboratoriet kan nå 10.000 gange. Når produktionsomkostningerne for den samme energitæthed kan konvergeres, er omkostningseffektiviteten af solid state-batterier uden sidestykke.
Sammenligning af 4 faste uorganiske elektrolytter
Materialetyperne af faste elektrolytter kan opdeles i fire kategorier: oxider, sulfider, polymerer og halogenider. Hver af disse fire typer elektrolytter har forskellige fysiske og kemiske egenskaber, som bestemmer sværhedsgraden af F&U, produktion og industrialisering og dens fremtidige markedsposition.
Oxid elektrolytter:
Fordele: Den ioniske ledningsevne er i midten, og den har den bedste elektrokemiske stabilitet, mekaniske stabilitet og termiske stabilitet. Den kan tilpasses højspændings katodematerialer og metal lithium anoder. Fremragende elektronisk ledningsevne og ionselektivitet. Samtidig har graden af udstyrskontinuitet og produktionsomkostninger også store fordele. Den omfattende evne er den mest omfattende.
Ulemper: Reduktionsstabiliteten er lidt lav, skør og kan forårsage revner.
Oxidelektrolytter har høj mekanisk styrke, god termisk og luftstabilitet og brede elektrokemiske vinduer. Oxidelektrolytter kan opdeles i krystallinske og amorfe tilstande. Almindelige krystallinske oxidelektrolytter omfatter perovskit-type, LISICON-type, NASICON-type og granattype. Oxidelektrolytter kan modstå høje spændinger, har høje nedbrydningstemperaturer og har god mekanisk styrke. Imidlertid er dens ioniske ledningsevne ved stuetemperatur 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), hvilket i høj grad reducerer batteriets volumenenergitæthed. Gennem elementdoping og korngrænsemodifikation kan oxidelektrolytters ledningsevne ved stuetemperatur øges til størrelsesordenen 10-3 S/cm. Kontrol af krystalvolumenet og tilføjelse af polymerbelægninger kan forbedre grænsefladekontakten mellem oxidelektrolytten og de positive og negative elektroder. Ultratynde faste elektrolytmembraner kan fremstilles ved opløsnings-/opslæmningsbelægningsmetoder.
Sulfid elektrolyt:
Fordele: højeste ionledningsevne, modstand mod små korngrænser, god duktilitet og god ionselektivitet.
Ulemper: dårlig kemisk stabilitet, vil reagere med lithiummetal og reagere let med fugtig luft. Omkostningerne er højere, og de mekaniske egenskaber er dårlige. På nuværende tidspunkt mangler produktionen stadig at foregå i et handskerum, hvilket gør det vanskeligt at masseproducere i stor skala.
Sulfidelektrolytter har høj ledningsevne ved stuetemperatur og god duktilitet, og deres stabilitet kan forbedres gennem doping og coating. Sulfidelektrolytter findes i øjeblikket i tre hovedformer: glas, glaskeramik og krystaller. Sulfidelektrolytter har høj ledningsevne ved stuetemperatur, som kan være tæt på flydende elektrolytters (10-4-10-2 S/cm), moderat hårdhed, god fysisk kontakt med grænsefladen og gode mekaniske egenskaber. De er vigtige kandidatmaterialer til solid-state batterier. Imidlertid har sulfidelektrolytter et smalt elektrokemisk vindue, dårlig grænsefladestabilitet med positive og negative elektroder og er meget følsomme over for fugt. Det kan reagere med spormængder af vand i luften og frigive giftig hydrogensulfidgas. Produktion, transport og forarbejdning har meget høje miljøkrav. Modifikationsmetoder såsom doping og belægning kan stabilisere grænsefladen mellem sulfid og positive og negative elektroder, hvilket gør dem velegnede til forskellige typer positive og negative elektrodematerialer og endda brugt i lithium-svovlbatterier.
Fremstillingen af sulfidelektrolytbatterier har høje miljøkrav. Sulfidelektrolytter har høj ledningsevne og er relativt bløde og kan fremstilles ved belægningsmetoder. Produktionsprocessen er ikke meget forskellig fra den eksisterende flydende batteriproduktionsproces, men for at forbedre batteriets grænsefladekontakt er det normalt nødvendigt at udføre flere varmpresninger efter belægning og tilføje et bufferlag for at forbedre grænsefladekontakten. Sulfidelektrolytter er meget følsomme over for fugt og kan reagere med spormængder af vand i luften for at generere giftig gas svovlbrinte, så miljøkravene til batterifremstilling er meget høje.
Polymer elektrolyt:
Fordele: god sikkerhed, god fleksibilitet og interfacekontakt, let at danne film.
Ulemper: Ionledningsevnen er meget lav ved stuetemperatur og termisk stabilitet er dårlig.
Det er fleksibelt og nemt at behandle, og ledningsevnen kan forbedres gennem tværbinding, blanding, podning og tilsætning af blødgøringsmidler. De vigtigste polymersubstrater, der anvendes i polymerelektrolytter, omfatter PEO, PAN, PVDF, PA, PEC, PPC osv. De vigtigste anvendte lithiumsalte omfatter LiPF6, LiFSI, LiTFSI osv. Polymerelektrolytter er enkle at fremstille, har god fleksibilitet og forarbejdelighed, og kan bruges i fleksible elektroniske produkter eller batterier med utraditionelle former. Den har god fysisk kontakt med de positive og negative elektroder, og processen er relativt tæt på den for eksisterende lithium-batterier. Det kan nemt bruges i masseproduktion af batterier gennem transformation af eksisterende udstyr. Imidlertid er stuetemperatur ionisk ledningsevne af polymerelektrolytter generelt meget 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.
Halogenid elektrolyt:
Fordele: lav elektronisk modstand, høj ionselektivitet, høj reduktionsstabilitet og ikke let at knække.
Ulemper: Det er stadig i laboratoriestadiet, har dårlig kemisk stabilitet og oxidativ stabilitet og har høj ionresistens.
På grund af de fremtrædende fordele og ulemper ved halogenider og polymerer vil den fremtidige globale konkurrence om faststofbatterier hovedsageligt fokusere på oxider og sulfider. Faktisk er de typer materialer, der kan vælges til sulfidelektrolytter, på grund af dens dårlige kemiske stabilitet meget snævre, men så længe der findes passende materialer og procesgennembrud, kan denne mangel afhjælpes.
Men fra et industrialiseringsperspektiv vil komplekse processer føre til højere omkostninger og et skalaloft, så faste oxidelektrolytter er i øjeblikket mainstream i udviklingen af solid-state batterier. Fra flydende batterier til solid-state batterier vil der være et halvfast batteritrin, og det mest egnede på dette stadium er oxidbanen. Det er på grund af dets omfattende ydeevne og omkostningsfordele. Halv-solid-state-batterier kan erstatte nuværende flydende batterier hurtigere og gradvist udnytte fordelene og omkostningseffektiviteten ved solid-state-batterier.
Men med teknologiens fremskridt er det stadig uklart, om verden vil blive domineret af oxider eller sulfider i fremtiden. Kernen i solid-state batteriteknologi er forskning og udvikling af solid state elektrolytter. Selvom nuværende faste elektrolytmaterialer har gjort store fremskridt, har de stadig problemer såsom dårlig ledningsevne, stor grænseflademodstand og høje forberedelsesomkostninger. Fortsat grundforskning og teknologiske gennembrud er nødvendige for at forbedre ledningsevnen og stabiliteten af faste elektrolytter.
