سلولهای باتری لیتیوم حالت جامد: تعریف مجدد مرزهای ایمنی از طریق انقلاب الکترولیت

ظهور سلولهای باتری لیتیوم با حالت جامد ، درک این صنعت را کاملاً بازنویسی کرده است که "الکترولیت مایع= خطر ایمنی". هنگامی که الکترولیتهای مایع سنتی با الکترولیتهای جامد جایگزین می شوند ، سلولهای باتری نه تنها در تست های پانچ و اکستروژن سوزن به احتراق صفر می رسند ، بلکه اثرات چگالی انرژی را تا 400WH/کیلوگرم نیز ایجاد می کنند و به جهت اصلی فناوری نسل بعدی برای باتری های برق تبدیل می شوند.

1 "سه پادشاهی" مسیر فناوری: بازی الکترولیت های مختلف

الکترولیت پلیمر مبتنی بر PEO (پلی اتیلن اکسید) است که دارای یک دمای دمای اتاق تنها 10 سانتی متر/سانتی متر است ، اما انعطاف پذیری خوبی دارد و برای پیوند با سلول های بسته نرم مناسب است. اتومبیل نمونه اولیه باتری با حالت جامد تویوتا با کاهش ضخامت الکترولیت به 20 میکرومتر و ترکیب آن با یک الکترود منفی مبتنی بر سیلیکون با ظرفیت بالا ، این محلول را اتخاذ می کند و در 10 دقیقه به 80 ٪ و دامنه بیش از 1000 کیلومتر شارژ سریع می شود. با این حال ، عملکرد دمای پایین آن ضعیف تر است ، با کاهش 50 درصدی رسانایی در -10 درجه ، و این امر را برای استفاده در مناطق معتدل مناسب تر می کند.

هدایت الکترولیت سولفید از 10 ⁻ S/cm فراتر می رود و به سطح الکترولیت مایع نزدیک می شود ، اما به دلیل خاصیت مکانیکی ضعیف مستعد ترک خوردگی است. پاناسونیک از فناوری نانوکامپوزیت برای مخلوط کردن آن با نانولوله های کربن استفاده می کند و استحکام کششی الکترولیت را به 15 مگاپاسکال افزایش می دهد که می تواند در برابر تغییر حجم سلول باتری در هنگام شارژ و تخلیه مقاومت کند. بزرگترین مزیت آن عملکرد درجه حرارت پایین آن است ، با افزایش ظرفیت 90 ٪ در -20 درجه ، و آن را برای وسایل نقلیه برقی در مناطق سرد مانند اروپای شمالی مناسب می کند. با این حال ، سولفیدها مستعد هیدرولیز هستند و گاز H را تولید می کنند ، که به آب بندی بسیار بالا در محیط تولید نیاز دارد.

الکترولیتهای اکسید (مانند LLZO لیتیوم Lanthanum زیرکونیوم اکسیژن) بهترین ثبات را دارند و می توانند در برابر دمای بالا 800 درجه مقاومت کنند. سامسونگ آنها را به ورق های سرامیکی نازک با ضخامت تنها 50 میکرومتر از آن تبدیل کرده و از عایق و کاهش مقاومت داخلی اطمینان حاصل می کند. با این حال ، مقاومت بالا و امپدانس رابط کاستی های آن است. تیمی از یک آکادمی علوم چینی خاص از فناوری "نفوذ مایع یونی" برای تشکیل یک لایه بافر بین الکترولیت و الکترود استفاده کرده و امپدانس رابط را 60 ٪ کاهش داده و عملکرد سلول را به 3C بهبود می بخشد (در 30 دقیقه شارژ می شود).

2 دستیابی به موفقیت در مشکلات تولید انبوه: جهش از آزمایشگاه به خط تولید

امپدانس رابط پاشنه آشیل سلولهای حالت جامد است. تماس بین الکترولیتهای جامد و الکترودهای مثبت و منفی بیشتر تماس با نقطه است و در نتیجه مقاومت بالایی در برابر هدایت یون لیتیوم ایجاد می شود. کلید حل این مشکل در اصلاح رابط است. LG New Energy فناوری "رسوب لایه اتمی" را برای رشد یک لایه انتقال 5 نانومتر در سطح الکترود مثبت اتخاذ می کند ، که باعث افزایش میزان مهاجرت یون لیتیوم به سه برابر می شود. "روش نفوذ ذوب" که توسط شرکتهای خانگی ایجاد شده است ، الکترولیت را به حالت مذاب گرم می کند و آن را با الکترود تماس می گیرد تا یک رابط جامد محکم محکم شود و در نتیجه عمر چرخه سلولی باتری بیش از 2000 بار باشد.

نوآوری فناوری تولید انبوه به همان اندازه بسیار مهم است. فرآیند تشکیل خشک سلولهای باتری حالت جامد سولفید مرحله بازیابی حلال پوشش مرطوب سنتی را از بین می برد و مصرف انرژی را 40 ٪ کاهش می دهد. فناوری ریخته گری الکترولیتهای اکسید می تواند به تولید مداوم 10 متر در دقیقه برسد ، که 10 برابر از تولید اولیه دسته ای کارآمدتر است. خط خلبان سلول باتری حالت جامد از یک شرکت داخلی به میزان عملکرد 78 ٪ رسیده است که 30 ٪ از آنها بیشتر از سلولهای باتری مایع است. انتظار می رود پس از تولید در مقیاس بزرگ در سال 2027 به همان سطح کاهش یابد.

3 اجرای پیشگام در زمینه های ویژه: برنامه های امنیتی محور

در زمینه تخصصی ، باتری های حالت جامد مزایای منحصر به فردی را نشان داده اند. باتری های حالت جامد با درجه حرارت پایین در صنعت نظامی دارای میزان احتباس ظرفیت تخلیه 85 ٪ در -40 درجه ، بیش از 50 ٪ باتری های سنتی است و می تواند نیازهای منبع تغذیه تجهیزات تحقیقاتی علمی قطبی و هواپیماهای شناسایی با ارتفاع بالا را برآورده کند. باتری های حالت جامد که در دستگاه های پزشکی مورد استفاده قرار می گیرند به دلیل عدم وجود خطرات نشت الکترولیت ، تا 10 سال طول عمر دارند و آنها را به انتخاب جدیدی برای دستگاه های ضرباننده و پمپ های انسولین قابل کاشت تبدیل می کند. باتری قابل کاشت یک شرکت پزشکی خاص از سلولهای حالت جامد اکسید استفاده می کند و حجم آن را 40 ٪ کاهش می دهد و چرخه پانسمان بیمار را از 1 سال به 3 سال گسترش می دهد.

صنعت الکترونیک مصرفی نیز در حال آزمایش آبها است. یک مارک خاص از ساعت هوشمند مجهز به سلولهای باتری حالت جامد پلیمری است که ضخامت آن تنها 2 میلی متر و چگالی انرژی 700WH/L است. عمر باتری از 7 روز به 14 روز تمدید شده است و پس از گذراندن تست افت 1.5 متری ، خطر آتش سوزی وجود ندارد. در زمینه وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین ، ویژگی های بالای باتری های حالت جامد سولفید زمان شارژ سریع را از 1 ساعت به 20 دقیقه کاهش داده و باعث افزایش کارایی عملیاتی می شود.

توسعه سلولهای باتری لیتیوم با حالت جامد نه تنها جایگزینی ساده از الکترولیت ها بلکه یک نوآوری سیستماتیک در طراحی ، سیستم مواد و فرآیند تولید کل سلول باتری است. با بالغ شدن فناوری ، استانداردهای ایمنی و مرزهای عملکرد باتری های لیتیوم را دوباره تعریف می کند و حرکت جدید را به صنعت انرژی جدید تزریق می کند.