I den nuværende bølge af kraftig udvikling af nye energiteknologier har solid-state batteri, som et meget lovende næste generations batteriteknologi, tiltrukket omfattende opmærksomhed fra alle samfundslag. Efterhånden som folks krav til udholdenhed af elektroniske enheder og drivende række af elektriske køretøjer fortsætter med at stige, og deres vægt på batterisikkerhedsydelse vokser dag for dag, forventes faststofbatteri meget at tackle mange smertepunkter af traditionelle flydende lithium-ion-batterier med hensyn til sikkerhed og rækkevidde. Før dens store populære popularisering og anvendelse er et vigtigt spørgsmål imidlertid i forbrugernes sind: er solid-state batteri sikkert og i stand til at levere lang rækkevidde? For at besvare dette spørgsmål er vi nødt til at gå i dybden i arbejdsmekanismen, tekniske egenskaber og aktuel forskning og anvendelsesstatus for faststofbatterier.
Arbejdsprincip og strukturelle egenskaber ved faste stofbatteri
Kerneforskellen mellem faststofbatteri og traditionelt flydende lithium-ion-batteri ligger i form af elektrolyt. Traditionelle flydende lithium-ion-batterier anvender flydende elektrolyt for at opnå opladnings- og udledningsprocessen gennem bevægelse af lithiumioner mellem de positive og negative elektroder. I modsætning hertil bruger faste statsbatterier fast elektrolyt, som typisk er lavet af keramik, polymer eller sulfidmaterialer. I faste tilstand batterier deinterer lithiumioner også fra den positive elektrode under opladning og intercalate i den negative elektrode gennem den faste elektrolyt; Under afladning bevæger de sig i den modsatte retning, mens elektroner strømmer fra den negative elektrode til den positive elektrode gennem det eksterne kredsløb, hvilket genererer strøm til at drive enheden.
Brugen af fast elektrolyt giver faststofbatterier med unikke strukturelle egenskaber. Sammenlignet med flydende elektrolyt, som kræver en separator for at forhindre kortslutning mellem de positive og negative elektroder, har fast elektrolyt i sig selv de dobbelte funktioner af ionledning og elektrodeisolering, hvilket gør batteristrukturen mere kompakt. I mellemtiden udviser fast elektrolyt højere stabilitet og er mindre tilbøjelig til flygtigisering og lækage, hvilket lægger et fundament for forbedret batterisikkerhedsydelse.
Sikkerhedsydelse af faststofbatteri
Traditionelle flydende lithium-ion-batterier udgør en risiko for termisk løb under høje temperaturforhold. Når batteritemperaturen overstiger en bestemt tærskel, såsom 80 grader, kan den flydende elektrolyt nedbrydes for at producere brandfarlige gasser, og bivirkninger inden i batteriet intensiveres, hvilket fører til en hurtig akkumulering af varme og i sidste ende får batteriet til at gribe ild eller endda eksplodere. Data fra det tyske Tüv -testbureau afslører klart denne skjulte fare.
Solid-state batterier udviser betydelige fordele ved termisk stabilitet. På grund af fraværet af flygtige og brandfarlige flydende komponenter i fast elektrolyt er dens termiske stabilitet meget højere end for flydende elektrolyt. Punkteringstesten, der udføres af den nye Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) i Japan, er imponerende: Når et stålnål punkterer et faststofbatteri, stiger batterietemperaturen kun med 2 grader, mens et traditionelt flydende lithium-ion-batteri tænder og eksploderer inden for kun 3 sekunder. Dette eksperimentelle resultat demonstrerer visuelt den overordnede sikkerhed for faste statsbatterier i lyset af ekstrem mekanisk misbrug.
I et papir med titlen "Er faste stoffer batterier mere sikre end (flydende) lithium-ion-batterier?" Udgivet i videnskab i april 2022 diskuterede forskere varmefrigørelses- og temperaturstigningsgrænserne for flydende lithium-ion-batterier, halvfastede batterier med en vis mængde elektrolyt og all-solid-state batterier under tre termiske løbsk scenarier. Undersøgelsen fandt, at i den termiske løbstilstand forårsaget af ekstern opvarmning overgår all-solid-state batterier halvfast og flydende lithium-ion-batterier. Den høje tæthed af fast elektrolyt i batterier med alle solid-tilstand kan danne en effektiv gasbarriere, hvilket forhindrer kontakt mellem lithium på den negative elektrode og ilt frigivet fra den positive elektrode. I dette hypotetiske scenarie ville der ikke være nogen signifikant varmefrigivelse.
Inhibering af lithium dendritvækst
Under opladnings- og afladningsprocessen for traditionelle flydende lithium-ion-batterier kan lithiumioner direkte krystallisere på overfladen af den negative elektrode under hurtig opladning og danne farlige lithium-dendritter. Væksten af lithium -dendritter fører ikke kun til batterikapacitetsfald, men kan også punktere separatoren, hvilket forårsager en kortslutning mellem de positive og negative elektroder og udløser en sikkerhedshændelse. Denne skjulte fare blev afsløret af ingeniører fra CATL.
Solid-state-batterier viser potentiale til inhibering af lithium-dendritvækst. Den specielle struktur og egenskaber ved fast elektrolyt kan tilvejebringe en mere ensartet sti til lithiumion -migration, hvilket reducerer muligheden for dannelse af lithiumdendrit. Selvom fuldstændig eliminering af lithium-dendritvækst stadig udgør udfordringer i praktiske anvendelser, er forbedringstrenden for faststofbatterier i denne henseende tydelig sammenlignet med flydende lithium-ion-batterier.
Potentielle sikkerhedsrisici
På trods af de mange fordele ved faste statsbatterier med hensyn til sikkerhed er de ikke helt sikre. I visse ekstreme tilfælde, såsom når den faste elektrolyt mislykkes eller lithium-dendritter, trænger ind i den faste elektrolyt, hvilket forårsager en kortslutning, er sikkerheden for all-solid-tilstand batterier og halvfastede batterier ikke bedre end flydende lithium-ion-batterier. Professor Ai Xinping fra School of Chemistry and Molecular Sciences ved Wuhan University påpeger, at påstanden om, at all-solid-state-batterier har både høj energitæthed og god sikkerhed faktisk involverer en konceptuel sleight af hånd. Fordi nogle materialer i faststofbatterier kan producere giftige gasser, såsom hydrogensulfid i tilfælde af en ulykke, selvom de ikke direkte vil forbrænde folk som traditionelle batterier, er hydrogensulfidgas giftig og kan forårsage alvorlig skade på den menneskelige krop.
Potentialet for faststofbatteri inden for rækkevidde
I teorien har faste statsbatterier potentialet til at opnå høj energitæthed, hvilket forventes at øge enhedens udholdenhed. Fast elektrolyt tillader anvendelse af rent metallisk lithium som den negative elektrode, hvilket markant øger energilagringskapaciteten pr. Enhedsvolumen. Eksperimentelle data fra Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology fra det kinesiske videnskabsakademi viser, at energitætheden af deres faststof-batteriprøver har overskredet 500WH\/kg, mens energitætheden af 21700-batteriet, der bruges i Tesla Model 3, kun er 260WH\/kg.
At tage elektriske køretøjer som et eksempel har kørselsregistrering altid været et fokus for forbrugernes opmærksomhed. Kunpeng-batteri fra Chery, som en repræsentant for faststofbatterier, planlægger at opnå en energitæthed på 400WH\/kg i 2024 og øge den til 600Wh\/kg i 2025. I henhold til planen forventes det, at det rene elektriske køreområde overstiger 1500 km. Hvis disse mål nås, vil det i høj grad lindre rækkevidden for elektriske køretøjsbrugere i høj grad.
Udfordringer inden for det faktiske rækkevidde
Fra laboratoriet til praktiske applikationer står det imidlertid overfor batterier stadig nogle udfordringer med hensyn til rækkevidde. For det første er grænsefladeimpedansen mellem fast elektrolyt og elektroder relativt fremtrædende, hvilket ligner opsætning af en bompengebås på en motorvej, hvilket hindrer den hurtige transmission af lithiumioner og påvirker batteriets opladning og udledningseffektivitet, hvilket påvirker området. For det andet øger den dødelige mangel ved sulfidelektrolyt, der producerer meget giftigt hydrogensulfid, når den udsættes for vand, ikke kun sikkerhedsrisici under batteriproduktion og anvendelse, men udgør også alvorlige udfordringer for batteriets stabilitet og pålidelighed. Derudover fører det lave udbytte af fast elektrolytfilmpræparat til høje produktionsomkostninger i stor skala, hvilket begrænser den udbredte anvendelse af faste statsbatterier og indirekte påvirker processen med at demonstrere deres langtrækkende fordele på markedet.
Konklusion og udsigter
Sammenfattende viser faststofbatterier et betydeligt potentiale med hensyn til sikkerhed og rækkevidde. Med hensyn til sikkerhed er deres termiske stabilitetsfordele tydelige, og de kan effektivt hæmme lithium-dendritvækst, hvilket gør dem mere sikre og pålidelige end traditionelle flydende lithium-ion-batterier i de fleste tilfælde. I lyset af ekstreme situationer, såsom fast elektrolytfejl, er der imidlertid stadig visse sikkerhedsrisici. Med hensyn til rækkevidde giver den teoretiske fordel ved høj energitæthed muligheden for lang rækkevidde, og nogle eksperimentelle data og virksomhedsplaner viser også lovende udsigter. I praktiske anvendelser er spørgsmål som interfaceimpedans, elektrolytdefekter og omkostninger blevet forhindringer, der hindrer den fulde realisering af deres langtrækkende fordele.
På trods af adskillige udfordringer betragtes faststofbatterier stadig som en vigtig udviklingsretning for næste generations batteriteknologier.