Nima uchun to'liq qattiq holatdagi batareyalar sanoat tendentsiyasidir?
Yuqori xavfsizlik:
Suyuq batareyalarning xavfsizligi masalalari doimo tanqid qilingan. Elektrolitlar yuqori harorat yoki qattiq ta'sir ostida osongina yonadi. Yuqori oqim ostida, litiy dendritlari ham ajratgichni teshib, qisqa tutashuvga olib keladi. Ba'zida elektrolitlar yon reaksiyalarga kirishishi yoki yuqori haroratda parchalanishi mumkin. Suyuq elektrolitlarning termal stabilitesi faqat 100 darajaga qadar saqlanishi mumkin, oksidli qattiq elektrolitlar esa 800 darajaga, sulfidlar va halidlar ham 400 darajaga yetishi mumkin. Qattiq oksidlar suyuqliklarga qaraganda barqarorroq va qattiq shakli tufayli ularning zarba qarshiligi suyuqliklarga qaraganda ancha yuqori. Shuning uchun qattiq holatdagi batareyalar odamlarning xavfsizlik ehtiyojlarini qondira oladi.
Yuqori energiya zichligi:
Hozirgi vaqtda qattiq holatdagi akkumulyatorlar energiya zichligiga suyuq batareyalarnikidan oshmagan, ammo nazariy jihatdan qattiq holatdagi batareyalar juda yuqori energiya zichligiga erishishi mumkin. Suyuq batareyalar kabi oqmasligi uchun qattiq holatda batareyalarni suyuqlikka o'rash shart emas. Shu sababli, ortiqcha qobiqlar, o'rash plyonkalari, issiqlik tarqaladigan materiallar va boshqalarni yo'q qilish va energiya zichligini sezilarli darajada yaxshilash mumkin.
Yuqori quvvat:
Suyuq batareyalardagi litiy ionlari o'tkazuvchanlik yo'li bilan, qattiq holatdagi akkumulyatorlardagi litiy ionlari esa tezroq va yuqori zaryad va tushirish tezligiga ega bo'lgan sakrash orqali amalga oshiriladi. Tez zaryadlash suyuq batareyalar texnologiyasida har doim qiyinchilik bo'lib kelgan, chunki zaryad tezligi juda tez bo'lsa, lityum cho'kadi, ammo bu muammo butunlay qattiq holatda bo'lgan batareyalarda mavjud emas.
Past harorat ko'rsatkichlari:
Suyuq batareyalar odatda -10 darajadan 45 darajagacha barqaror ishlaydi, ammo qishda ularning harakatlanish diapazoni sezilarli darajada pasayadi. Qattiq elektrolitlarning ish harorati -30 darajadan 100 darajagacha bo'ladi, shuning uchun juda sovuq joylardan tashqari batareyaning ishlash muddati kamaymaydi va hech qanday murakkab issiqlik boshqaruv tizimi talab qilinmaydi.
Uzoq umr ko'rish:
Suyuq batareyalar orasida uchlik batareyalarning o'rtacha ishlash muddati 500-1000 sikl, litiy temir fosfatning ishlash muddati esa 2000 tsiklga yetishi mumkin. Yupqa plyonkaning butun qattiq holati kelajakda 45,000 tsiklga yetishi mumkin va laboratoriyada 5C ishlash muddati 10 000 martaga yetishi mumkin. Bir xil energiya zichligi ishlab chiqarish xarajatlari birlashtirilishi mumkin bo'lsa, qattiq holatdagi batareyalarning iqtisodiy samaradorligi tengsizdir.
4 ta qattiq noorganik elektrolitlarni solishtirish
Qattiq elektrolitlarning moddiy turlarini to'rt toifaga bo'lish mumkin: oksidlar, sulfidlar, polimerlar va galogenidlar. Ushbu to'rt turdagi elektrolitlarning har biri turli xil fizik va kimyoviy xususiyatlarga ega bo'lib, bu ilmiy-tadqiqot, ishlab chiqarish va sanoatlashtirishning qiyinligini va uning kelajakdagi bozordagi pozitsiyasini belgilaydi.
Oksid elektrolitlari:
Afzalliklari: Ion o'tkazuvchanligi o'rtada bo'lib, u eng yaxshi elektrokimyoviy barqarorlikka, mexanik barqarorlikka va termal barqarorlikka ega. U yuqori voltli katod materiallari va metall lityum anodlarga moslashtirilishi mumkin. Zo'r elektron o'tkazuvchanlik va ion selektivligi. Shu bilan birga, uskunaning uzluksizligi darajasi va ishlab chiqarish narxi ham katta afzalliklarga ega. Keng qamrovli qobiliyat eng keng qamrovli hisoblanadi.
Kamchiliklari: Kamaytirish barqarorligi biroz past, mo'rt va yoriqlarga olib kelishi mumkin.
Oksid elektrolitlari yuqori mexanik kuchga ega, yaxshi termal va havo barqarorligi va keng elektrokimyoviy oynalarga ega. Oksid elektrolitlarini kristall va amorf holatlarga bo'lish mumkin. Umumiy kristalli oksidli elektrolitlar orasida perovskit turi, LISICON turi, NASICON turi va granat turi mavjud. Oksid elektrolitlari yuqori kuchlanishlarga bardosh bera oladi, yuqori parchalanish haroratiga ega va yaxshi mexanik kuchga ega. Biroq, uning xona haroratida ion o'tkazuvchanligi past (<10-4 S/cm), it has poor contact with the solid-solid interface of the positive and negative electrodes, and it is usually thick (>200 mkm), bu batareyaning energiya zichligini sezilarli darajada kamaytiradi. Elementlarni doping va don chegarasini o'zgartirish orqali oksid elektrolitlarining xona haroratining o'tkazuvchanligini 10-3 S/sm ga oshirish mumkin. Kristal hajmini nazorat qilish va polimer qoplamalarini qo'shish oksid elektrolitlari va musbat va salbiy elektrodlar o'rtasidagi o'zaro aloqani yaxshilashi mumkin. Ultra yupqa qattiq elektrolitlar membranalari eritma / atala bilan qoplash usullari bilan ishlab chiqarilishi mumkin.
Sulfid elektrolitlari:
Afzalliklari: eng yuqori ion o'tkazuvchanligi, kichik don chegarasi qarshiligi, yaxshi egiluvchanlik va yaxshi ion selektivligi.
Kamchiliklari: zaif kimyoviy barqarorlik, lityum metall bilan reaksiyaga kirishadi va nam havo bilan osongina reaksiyaga kirishadi. Narxlari yuqori va mexanik xususiyatlari yomon. Hozirgi vaqtda ishlab chiqarish hali ham qo'lqop qutisida amalga oshirilishi kerak, bu esa keng miqyosda ommaviy ishlab chiqarishni qiyinlashtiradi.
Sulfid elektrolitlari xona haroratining yuqori o'tkazuvchanligiga va yaxshi egiluvchanligiga ega va ularning barqarorligini doping va qoplama orqali yaxshilash mumkin. Sulfid elektrolitlari hozirgi vaqtda uchta asosiy shaklda bo'ladi: shisha, shisha-keramika va kristallar. Sulfid elektrolitlari xona haroratining yuqori o'tkazuvchanligiga ega, ular suyuq elektrolitlarga (10-4-10-2 S/sm) yaqin bo'lishi mumkin, o'rtacha qattiqlik, yaxshi interfeys fizik aloqasi va yaxshi mexanik xususiyatlarga ega. Ular qattiq holatdagi batareyalar uchun muhim nomzod materiallardir. Shu bilan birga, sulfid elektrolitlari tor elektrokimyoviy oynaga ega, ijobiy va salbiy elektrodlar bilan zaif interfeys barqarorligi va namlikka juda sezgir. U havodagi oz miqdordagi suv bilan reaksiyaga kirishishi va zaharli vodorod sulfidi gazini chiqarishi mumkin. Ishlab chiqarish, tashish va qayta ishlash juda yuqori ekologik talablarga ega. Doping va qoplama kabi modifikatsiya usullari sulfid va musbat va salbiy elektrodlar orasidagi interfeysni barqarorlashtirishi mumkin, bu ularni har xil turdagi musbat va salbiy elektrod materiallariga moslashtiradi va hatto lityum-oltingugurt batareyalarida ham qo'llaniladi.
Sulfid elektrolitli akkumulyatorlarni tayyorlash yuqori ekologik talablarga ega. Sulfid elektrolitlari yuqori o'tkazuvchanlikka ega va nisbatan yumshoq bo'lib, qoplama usullari bilan ishlab chiqarilishi mumkin. Ishlab chiqarish jarayoni mavjud suyuqlik batareyasini ishlab chiqarish jarayonidan juda farq qilmaydi, lekin batareyaning interfeys aloqasini yaxshilash uchun odatda qoplamadan keyin bir nechta issiq presslashni amalga oshirish va interfeys kontaktini yaxshilash uchun bufer qatlamini qo'shish kerak. Sulfid elektrolitlari namlikka juda sezgir va zaharli gaz vodorod sulfidini hosil qilish uchun havodagi suvning iz miqdori bilan reaksiyaga kirishishi mumkin, shuning uchun batareyani ishlab chiqarish uchun ekologik talablar juda yuqori.
Polimer elektrolitlar:
Afzalliklari: yaxshi xavfsizlik, yaxshi moslashuvchanlik va interfeys aloqasi, plyonkani shakllantirish oson.
Kamchiliklari: Ion o'tkazuvchanligi xona haroratida juda past va issiqlik barqarorligi yomon.
U moslashuvchan va ishlov berish oson va o'tkazuvchanlikni o'zaro bog'lash, aralashtirish, payvandlash va plastifikatorlarni qo'shish orqali yaxshilash mumkin. Polimer elektrolitlarida ishlatiladigan asosiy polimer substratlar PEO, PAN, PVDF, PA, PEC, PPC va boshqalarni o'z ichiga oladi. Asosiy lityum tuzlari LiPF6, LiFSI, LiTFSI va boshqalarni o'z ichiga oladi. Polimer elektrolitlarini tayyorlash oson, yaxshi moslashuvchanligi va qayta ishlanishi, va moslashuvchan elektron mahsulotlarda yoki noan'anaviy shaklga ega batareyalarda foydalanish mumkin. U ijobiy va salbiy elektrodlar bilan yaxshi jismoniy aloqaga ega va jarayon mavjud lityum batareyalarga nisbatan yaqin. Mavjud uskunani o'zgartirish orqali batareyalarni ommaviy ishlab chiqarishda osongina foydalanish mumkin. Biroq, polimer elektrolitlarining xona haroratining ion o'tkazuvchanligi odatda juda past (<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.
Halid elektrolitlari:
Afzalliklari: past elektron qarshilik, yuqori ion selektivligi, yuqori pasayish barqarorligi va yorilish oson emas.
Kamchiliklari: Hali ham laboratoriya bosqichida, kimyoviy barqarorligi va oksidlanish barqarorligi yomon, ionlarga chidamliligi yuqori.
Galogenidlar va polimerlarning ko'zga ko'ringan afzalliklari va kamchiliklari tufayli qattiq holatdagi batareyalar uchun kelajakdagi global raqobat asosan oksidlar va sulfidlarga qaratiladi. Aslida, zaif kimyoviy barqarorlik tufayli, sulfid elektrolitlari uchun tanlanishi mumkin bo'lgan materiallar turlari juda tor, ammo mos materiallar va texnologik yutuqlar topilsa, bu kamchilikni to'ldirish mumkin.
Biroq, sanoatlashtirish nuqtai nazaridan, murakkab jarayonlar yuqori xarajatlarga va o'lchov shiftiga olib keladi, shuning uchun oksidli qattiq elektrolitlar hozirda qattiq holatdagi batareyalarni ishlab chiqishda asosiy oqim hisoblanadi. Suyuq batareyalardan qattiq holatdagi batareyalarga qadar yarim qattiq batareya bosqichi bo'ladi va bu bosqichda eng mos bo'lgan oksid yo'lidir. Buning sababi uning keng qamrovli ishlashi va iqtisodiy afzalliklari. Yarim qattiq batareyalar joriy suyuq batareyalarni tezroq almashtirishi mumkin, asta-sekin qattiq holatdagi batareyalarning afzalliklari va iqtisodiy samaradorligidan foydalanadi.
Biroq, texnologiyaning rivojlanishi bilan, kelajakda dunyoda oksidlar yoki sulfidlar hukmron bo'ladimi, hali aniq emas. Qattiq holatdagi akkumulyator texnologiyasining yadrosi qattiq holatdagi elektrolitlarni tadqiq qilish va ishlab chiqishdir. Hozirgi qattiq elektrolitlar materiallari katta yutuqlarga erishgan bo'lsa-da, ular hali ham yomon o'tkazuvchanlik, katta interfeys qarshiligi va yuqori tayyorgarlik xarajatlari kabi muammolarga ega. Qattiq elektrolitlarning o'tkazuvchanligi va barqarorligini yaxshilash uchun asosiy tadqiqotlar va texnologik yutuqlarni davom ettirish kerak.
