Miksi solid-state-akut ovat alan trendi?
Korkea turvallisuus:
Nestemäisten akkujen turvallisuusongelmia on aina kritisoitu. Elektrolyytti syttyy helposti korkeassa lämpötilassa tai voimakkaassa iskussa. Suurella virralla litiumdendriitit näyttävät myös lävistävän erottimen ja aiheuttavan oikosulun. Joskus elektrolyytti voi joutua sivureaktioihin tai hajota korkeissa lämpötiloissa. Nestemäisten elektrolyyttien lämpöstabiilisuus voidaan säilyttää vain 100 asteeseen asti, kun taas oksidikiinteät elektrolyytit voivat saavuttaa 800 astetta ja sulfidit ja halogenidit voivat myös saavuttaa 400 astetta. Kiinteät oksidit ovat stabiilimpia kuin nesteet, ja niiden iskunkestävyys on kiinteän muotonsa vuoksi paljon suurempi kuin nesteiden. Siksi solid-state-akut voivat vastata ihmisten turvallisuustarpeisiin.
Korkea energiatiheys:
Tällä hetkellä solid-state-akut eivät ole saavuttaneet nestemäisten akkujen energiatiheyttä ylittävää, mutta teoriassa solid-state-akut voivat saavuttaa erittäin korkean energiatiheyden. Solid-state-akkuja ei tarvitse kääriä nesteeseen vuotojen estämiseksi, kuten nestemäiset paristot. Siksi ylimääräiset kuoret, käärekalvot, lämpöä hajottavat materiaalit jne. voidaan eliminoida ja energiatiheyttä voidaan parantaa huomattavasti.
Korkeajännite:
Nestemäisten akkujen litiumionit kulkeutuvat johtuen, kun taas puolijohdeakkujen litiumionit kulkeutuvat hyppyjohteen, joka on nopeampaa ja jolla on korkeampi lataus- ja purkausnopeus. Pikalataus on aina ollut vaikea nesteakkutekniikassa, koska litiumia saostuu, jos latausnopeus on liian nopea, mutta tätä ongelmaa ei ole täysin solid-state-akuissa.
Matalan lämpötilan suorituskyky:
Nestemäiset akut toimivat yleensä vakaasti -10 asteessa 45 asteeseen, mutta niiden matkamatka laskee huomattavasti talvella. Kiinteiden elektrolyyttien käyttölämpötila on -30 asteen ja 100 asteen välillä, joten akun käyttöikä ei heikkene paitsi erittäin kylmillä alueilla, eikä monimutkaista lämmönhallintajärjestelmää tarvita.
Pitkä käyttöikä:
Nestemäisten akkujen joukossa kolmiosaisten akkujen keskimääräinen käyttöikä on 500-1000 sykliä ja litiumrautafosfaatin käyttöikä voi olla 2000 sykliä. Ohutkalvon täyskiinteä olomuoto voi saavuttaa 45,000 sykliä tulevaisuudessa, ja 5C:n elinikä laboratoriossa voi olla 10 000 kertaa. Kun saman energiatiheyden tuotantokustannukset voidaan lähentää, solid-state-akkujen kustannustehokkuus on vertaansa vailla.
4 kiinteän epäorgaanisen elektrolyytin vertailu
Kiinteiden elektrolyyttien materiaalityypit voidaan jakaa neljään luokkaan: oksidit, sulfidit, polymeerit ja halogenidit. Jokaisella näistä neljästä elektrolyyttityypistä on erilaiset fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet, mikä määrää T&K:n, tuotannon ja teollistumisen vaikeuden ja sen tulevan markkina-aseman.
Oksidielektrolyytit:
Edut: Ioninjohtavuus on keskellä, ja sillä on paras sähkökemiallinen stabiilisuus, mekaaninen stabiilisuus ja lämpöstabiilisuus. Se voidaan sovittaa korkeajännitteisille katodimateriaaleille ja metallin litiumanodeille. Erinomainen elektroninen johtavuus ja ioniselektiivisyys. Samaan aikaan laitteiden jatkuvuudella ja valmistuskustannuksilla on myös suuria etuja. Kattava kyky on kattavin.
Haitat: Pelkistyskestävyys on hieman heikko, hauras ja voi aiheuttaa halkeamia.
Oksidielektrolyyteillä on korkea mekaaninen lujuus, hyvä lämpö- ja ilmanstabiilisuus ja leveät sähkökemialliset ikkunat. Oksidielektrolyytit voidaan jakaa kiteiseen ja amorfiseen tilaan. Yleisiä kiteisiä oksidielektrolyyttejä ovat perovskiittityyppi, LISICON-tyyppi, NASICON-tyyppi ja granaattityyppi. Oksidielektrolyytit kestävät suuria jännitteitä, niillä on korkea hajoamislämpötila ja niillä on hyvä mekaaninen lujuus. Sen huoneenlämpötilainen ioninjohtavuus on kuitenkin alhainen (<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), mikä vähentää huomattavasti akun tilavuusenergiatiheyttä. Alkuaineseostuksella ja raerajaa modifioimalla voidaan oksidielektrolyyttien huoneenlämpötilan johtavuutta nostaa luokkaan 10-3 S/cm. Kiteen tilavuuden säätäminen ja polymeeripinnoitteiden lisääminen voivat parantaa oksidielektrolyytin ja positiivisten ja negatiivisten elektrodien välistä rajapintakontaktia. Ultraohuita kiinteitä elektrolyyttikalvoja voidaan valmistaa liuos/lietepinnoitusmenetelmillä.
Sulfidielektrolyytti:
Edut: paras ioninjohtavuus, pieni raerajavastus, hyvä sitkeys ja hyvä ioniselektiivisyys.
Haitat: huono kemiallinen stabiilisuus, reagoi litiummetallin kanssa ja reagoi helposti kostean ilman kanssa. Hinta on korkeampi ja mekaaniset ominaisuudet huonot. Tällä hetkellä tuotanto on vielä tehtävä hansikaslokerossa, mikä vaikeuttaa massatuotantoa suuressa mittakaavassa.
Sulfidielektrolyyteillä on korkea huonelämpötilan johtavuus ja hyvä sitkeys, ja niiden stabiilisuutta voidaan parantaa dopingin ja pinnoituksen avulla. Sulfidielektrolyyttejä on tällä hetkellä kolmessa päämuodossa: lasi, lasikeramiikka ja kiteet. Sulfidielektrolyyteillä on korkea huoneenlämpötilan johtavuus, joka voi olla lähellä nestemäisten elektrolyyttien johtavuutta (10-4-10-2 S/cm), kohtalainen kovuus, hyvä fyysinen kosketus ja hyvät mekaaniset ominaisuudet. Ne ovat tärkeitä ehdokasmateriaaleja solid-state-akuille. Sulfidielektrolyyteillä on kuitenkin kapea sähkökemiallinen ikkuna, huono rajapintastabiilisuus positiivisten ja negatiivisten elektrodien kanssa, ja ne ovat erittäin herkkiä kosteudelle. Se voi reagoida pienten vesimäärien kanssa ilmassa ja vapauttaa myrkyllistä rikkivetyä. Tuotannon, kuljetuksen ja jalostuksen ympäristövaatimukset ovat erittäin korkeat. Muokkausmenetelmät, kuten seostus ja pinnoitus, voivat stabiloida sulfidi- ja positiivisten ja negatiivisten elektrodien välisen rajapinnan, mikä tekee niistä sopivia erilaisille positiivisille ja negatiivisille elektrodimateriaaleille, ja niitä käytetään jopa litium-rikkiakuissa.
Sulfidielektrolyyttiakkujen valmistuksessa on korkeat ympäristövaatimukset. Sulfidielektrolyyteillä on korkea johtavuus ja ne ovat suhteellisen pehmeitä, ja niitä voidaan valmistaa pinnoitusmenetelmillä. Tuotantoprosessi ei eroa kovinkaan paljon nykyisestä nesteakun valmistusprosessista, mutta akun liitäntäkosketuksen parantamiseksi on yleensä tarpeen suorittaa useita kuumapuristuksia pinnoituksen jälkeen ja lisätä puskurikerros liitäntäkosketuksen parantamiseksi. Sulfidielektrolyytit ovat erittäin herkkiä kosteudelle ja voivat reagoida pienten vesimäärien kanssa ilmassa muodostaen myrkyllistä rikkivetyä, joten akun valmistuksen ympäristövaatimukset ovat erittäin korkeat.
Polymeerielektrolyytti:
Edut: hyvä turvallisuus, hyvä joustavuus ja käyttöliittymäkosketus, helppo muodostaa kalvo.
Haitat: Ioninjohtavuus on erittäin alhainen huoneenlämpötilassa ja lämpöstabiilisuus huono.
Se on joustava ja helppo käsitellä, ja johtavuutta voidaan parantaa silloittamalla, sekoittamalla, oksastamalla ja lisäämällä pehmittimiä. Polymeerielektrolyyttien pääasiallisia polymeerisubstraatteja ovat PEO, PAN, PVDF, PA, PEC, PPC jne. Pääasiallisia käytettyjä litiumsuoloja ovat LiPF6, LiFSI, LiTFSI jne. Polymeerielektrolyytit ovat yksinkertaisia valmistaa, niillä on hyvä joustavuus ja prosessoitavuus, ja sitä voidaan käyttää joustavissa elektroniikkatuotteissa tai epätavallisen muotoisissa akuissa. Sillä on hyvä fyysinen kosketus positiivisten ja negatiivisten elektrodien kanssa, ja prosessi on suhteellisen lähellä olemassa olevien litiumakkujen prosessia. Sitä voidaan helposti käyttää akkujen massatuotannossa muuttamalla olemassa olevia laitteita. Polymeerielektrolyyttien huoneenlämpötilainen ioninjohtavuus on kuitenkin yleensä hyvin alhainen (<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.
Halidielektrolyytti:
Edut: alhainen elektroninen vastus, korkea ioniselektiivisyys, korkea pelkistysstabiilisuus ja ei helppo murtaa.
Haitat: Se on edelleen laboratoriovaiheessa, sillä on huono kemiallinen stabiilisuus ja hapettumisstabiilisuus, ja sillä on korkea ioninkestävyys.
Halogenidien ja polymeerien huomattavien etujen ja haittojen vuoksi tuleva maailmanlaajuinen kilpailu solid-state-akuista keskittyy pääasiassa oksideihin ja sulfideihin. Itse asiassa sen huonon kemiallisen stabiiliuden vuoksi materiaalityypit, jotka voidaan valita sulfidielektrolyytteihin, ovat hyvin kapeita, mutta niin kauan kuin sopivia materiaaleja ja prosessin läpimurtoja löydetään, tämä puute voidaan korjata.
Teollistumisen näkökulmasta monimutkaiset prosessit johtavat kuitenkin korkeampiin kustannuksiin ja mittakaavakattoon, joten oksidikiinteät elektrolyytit ovat tällä hetkellä valtavirtaa puolijohdeakkujen kehittämisessä. Nestemäisistä akuista solid-state-akkuihin tulee olemaan puolikiinteä akkuvaihe, ja sopivin tässä vaiheessa on oksidipolku. Se johtuu sen kattavasta suorituskyvystä ja kustannusetuista. Puolijohdeakut voivat korvata nykyiset nestemäiset paristot nopeammin hyödyntäen asteittain puolijohdeakkujen etuja ja kustannustehokkuutta.
Teknologian kehittyessä on kuitenkin edelleen epäselvää, hallitsevatko maailmaa oksidit vai sulfidit tulevaisuudessa. Solid-state-akkuteknologian ydin on solid-state-elektrolyyttien tutkimus ja kehitys. Vaikka nykyiset kiinteät elektrolyyttimateriaalit ovat edistyneet suuresti, niissä on edelleen ongelmia, kuten huono johtavuus, suuri rajapintavastus ja korkeat valmistuskustannukset. Jatkuvaa perustutkimusta ja teknologisia läpimurtoja tarvitaan kiinteiden elektrolyyttien johtavuuden ja stabiilisuuden parantamiseksi.
