Bateriile cu stare solidă: când vor deveni „înlocuitorii” „principalii”?

Baterii cu stare solidăapar ca sursa de energie de ultimă generație, dar este posibil ca bateriile hibride solid-lichid să se comercializeze mai întâi și să acționeze ca o punte crucială între celulele litiu-ion lichide de astăzi și viitoarele sisteme cu stare solidă.

Ce sunt bateriile cu stare solidă

Bateriile cu stare solidă înlocuiesc electroliții lichidi inflamabili cu materiale solide, permițând în același timp o densitate de energie mai mare și o performanță mai bună de siguranță. Catozii lor pot folosi materiale de înaltă energie, cum ar fi compuși pe bază de mangan bogat în litiu, în timp ce anodul poate combina nanosiliciu și grafit pentru a împinge densitatea energiei către 300-450 Wh/kg.

Un electrolit solid transportă ioni de litiu fără risc de scurgere și reduce semnificativ probabilitatea de evadare termică.

Anozii de capacitate mai mare și catozii de înaltă tensiune oferă bateriilor cu stare solidă potențialul pentru o autonomie mai mare în vehiculele electrice și o rezistență îmbunătățită în drone sau sisteme de stocare a energiei.

Hibrid solid-lichid ca tranziție

Articolul face distincție între bateriile cu litiu lichide, hibride solid-lichid și toate în stare solidă, subliniind că modelele hibride reprezintă o etapă de tranziție esențială. Bateriile semi-solide, cvasi-solide și „solide” de pe piață se încadrează în mare parte în această categorie hibridă, diferă doar în raportul dintre electrolit lichid și solid.

Bateriile hibride solid-lichid conțin încă ceva electrolit lichid, care îmbunătățește contactul cu materialele active și ușurează fabricarea.

Bateriile cu stare solidă conțin doar electrolit solid, oferind o siguranță intrinsecă mai bună și o densitate teoretică de energie mai mare, dar care se confruntă astăzi cu provocări inginerești mai severe.

Bariere tehnice pentru starea solidă completă

Deși multe companii și institute de cercetare din întreaga lume investesc în tehnologia cu stare solidă, nicio celulă de putere cu stare solidă de mare capacitate nu a egalat încă bateriile lichide litiu-ion atât în ​​ceea ce privește performanța, cât și costul. Dificultatea de bază constă la interfața solid-solid, unde materialele electrolitice rigide fac dificilă menținerea contactului intim cu electrozii în timpul ciclării și schimbărilor de volum.

Rutele actuale includ baterii cu polimer, cu peliculă subțire, sulfură și oxid cu stare solidă, fiecare cu avantaje și limitări distincte.

De exemplu, celulele polimerice în stare solidă se luptă la temperatura camerei și cu catozii de înaltă tensiune, în timp ce sistemele cu sulfuri sunt sensibile la aer și necesită condiții de fabricație exigente.

Strategia de solidificare in situ

Pentru a depăși problemele de interfață, valorificând în același timp infrastructura litiu-ion existentă, cercetătorii propun o abordare de solidificare in situ pentru electroliții hibrizi solid-lichid. În timpul asamblării celulei, un precursor lichid asigură umezirea și contactul bun; mai târziu, reacțiile chimice sau electrochimice transformă tot sau o parte din acest lichid într-un electrolit solid în interiorul celulei.

Această metodă îmbunătățește contactul electrod-electrolit, suprimă creșterea dendritei de litiu și echilibrează siguranța, tensiunea înaltă și performanța de încărcare rapidă.

De asemenea, poate reutiliza o mare parte din procesul actual de producție de ioni de litiu lichid, ajutând producătorii să crească mai rapid și să reducă costurile.

Direcții de dezvoltare viitoare

Experții se așteaptă că bateriile cu litiu cu stare solidă vor avea nevoie de încă cinci ani înainte de comercializarea pe scară largă, astfel încât bateriile hibride solid-lichid rămân o cale realistă pe termen scurt. Pentru a accelera industrializarea, articolul subliniază necesitatea unui progres coordonat în materie de materiale, proiectare celule, producție și standarde.

Prioritățile includ: dezvoltarea electroliților solizi cu conductivitate ionică echilibrată, stabilitate și procesabilitate; potrivirea electrozilor de înaltă energie, cum ar fi catozii cu conținut ridicat de nichel și anozi de siliciu-carbon sau litiu metalic; și integrarea simulării digitale cu producția inteligentă.

Industria este încurajată să construiască lanțuri de aprovizionare robuste pentru materiale cheie, să investească în echipamente automate, să perfecționeze sistemele de testare și evaluare și să evolueze treptat de la hibride solid-lichid. baterii litiu-ionspre bateriile cu litiu metal complet cu stare solidă.