Dabartinėje energingos naujų energetikos technologijų kūrimo bangoje, kietojo kūno baterija, kaip labai perspektyvi naujos kartos akumuliatorių technologija, sulaukė didelio visų gyvenimo sričių dėmesio. Žmonių reikalavimams dėl elektroninių prietaisų ištvermės ir važiavimo elektrinių transporto priemonių asortimento ir toliau didėja, o jų akumuliatoriaus saugos veiklos akcijųaugis didėja kiekvieną dieną, labai tikimasi, kad kietojo kūno akumuliatoriai, atsižvelgiant į daugelį tradicinių skystų ličio jonų akumuliatorių skausmo taškų, saugumo ir diapazono atžvilgiu. Tačiau prieš didelio masto populiarumą ir taikymą vartotojų galvoje yra svarbiausi klausimai: ar kietojo kūno akumuliatoriaus saugi ir galinti užtikrinti ilgą nuotolį? Norėdami atsakyti į šį klausimą, turime įsigilinti į darbo mechanizmą, technines charakteristikas ir dabartines kietojo kūno akumuliatorių tyrimus ir taikymo būklę.
Kietojo kūno akumuliatoriaus darbo principas ir konstrukcinės charakteristikos
Pagrindinis skirtumas tarp kietojo kūno akumuliatoriaus ir tradicinio skysto ličio jonų akumuliatoriaus yra elektrolito pavidalu. Tradicinės skysčio ličio jonų akumuliatoriai naudoja skystą elektrolitą, kad būtų galima įkrovimo ir iškrovimo procesą pasiekti, judant ličio jonais tarp teigiamų ir neigiamų elektrodų. Priešingai, kietojo kūno baterijos naudoja kietą elektrolitą, kuris paprastai yra pagamintas iš keraminių, polimerų ar sulfido medžiagų. Kietojo kūno akumuliatoriuose ličio jonai taip pat deintercalatuoja teigiamą elektrodą įkrovimo metu ir interkalato į neigiamą elektrodą per kietą elektrolitą; Išmetimo metu jie juda priešinga kryptimi, o elektronai teka iš neigiamo elektrodo į teigiamą elektrodą per išorinę grandinę, sukuridami srovę įrenginiui maitinti.
Kietojo elektrolito naudojimas suteikia kietojo kūno baterijas, turinčias unikalias struktūrines savybes. Palyginti su skystu elektrolitu, kuriam reikalingas separatorius, kad būtų išvengta trumpojo jungimo tarp teigiamų ir neigiamų elektrodų, pats kietas elektrolitas turi dvigubas jonų laidumo ir elektrodo išskyrimo funkcijas, todėl akumuliatoriaus struktūra tampa kompaktiškesnė. Tuo tarpu kietas elektrolitas pasižymi didesniu stabilumu ir yra mažiau linkęs į lakitus ir nuotėkį, padėdamas pagrindą pagerinti akumuliatoriaus saugos efektyvumą.
Kietojo kūno akumuliatoriaus saugos našumas
Tradicinės skystos ličio jonų baterijos kelia šilumos bėgimo riziką aukštos temperatūros sąlygomis. Kai akumuliatoriaus temperatūra viršija tam tikrą slenkstį, pavyzdžiui, 80 laipsnių, skystas elektrolitas gali suirpti degius dujas, o akumuliatoriaus šoninės reakcijos sustiprėja, todėl greitai kaupiasi šiluma ir galiausiai baterija užsidega ar net sprogo. Vokietijos TüV bandymų agentūros duomenys aiškiai atskleidžia šį paslėptą pavojų.
Kietojo kūno baterijos turi didelių šiluminio stabilumo pranašumų. Dėl to, kad nėra lakiųjų ir degių skysčių komponentų kietajame elektrolite, jo šiluminis stabilumas yra daug didesnis nei skysto elektrolito. Japonijos naujos energijos ir pramoninių technologijų plėtros organizacijos (NEDO) atliktas punkcijos testas yra įspūdingas: kai plieninė adata pradurta kietojo kūno akumuliatoriaus baterija, akumuliatoriaus temperatūra pakyla tik 2 laipsniais, tuo tarpu tradicinė skysto ličio jonų akumuliatorius užsidegs ir sprogs vos per 3 sekundes. Šis eksperimentinis rezultatas vizualiai parodo aukštesnį kietojo kūno baterijų saugumą, susidūręs su ekstremalia mechanine prievarta.
Straipsnyje pavadinimu „Ar kietojo kūno baterijos yra saugesnės nei (skystos) ličio jonų akumuliatoriai?“ Paskelbta „Science“ 2022 m. Balandžio mėn., Tyrėjai aptarė skystų ličio jonų akumuliatorių, pusiau kietųjų baterijų, turinčių tam tikrą kiekį elektrolito, šilumos išsiskyrimo ir temperatūros kilimo ribos, turinčios tam tikrą kiekį elektrolitų ir visų kietųjų būsenų baterijų pagal tris terminius bėgimo scenarijus. Tyrimo metu nustatyta, kad šiluminės bėgimo būsenoje, kurią sukelia išorinis šildymas, visos kietos būklės baterijos pralenkia pusiau kietas ir skystas ličio jonų baterijas. Didelis kietojo elektrolito tankis visoje kietojoje būsenoje baterijose gali sudaryti veiksmingą dujų barjerą, neleidžiant kontaktui tarp ličio neigiamo elektrodo ir deguonies, išsiskiriančių iš teigiamo elektrodo. Šiame hipotetiniame scenarijuje reikšmingo šilumos išsiskyrimo nebus.
Ličio dendrito augimo slopinimas
Tradicinių skysčių ličio jonų akumuliatorių įkrovimo ir iškrovimo proceso metu ličio jonai gali tiesiogiai kristalizuoti neigiamo elektrodo paviršiaus greito įkrovimo metu, sudarydami pavojingus ličio dendritus. Ličio dendritų augimas ne tik sukelia akumuliatoriaus talpos skilimą, bet ir gali pradurti separatorių, sukeldamas trumpą jungtį tarp teigiamų ir neigiamų elektrodų ir sukeldamas saugos incidentą. Šį paslėptą pavojų atskleidė CATL inžinieriai.
Kietojo kūno baterijos rodo potencialą slopinant ličio dendrito augimą. Speciali kietojo elektrolito struktūra ir savybės gali suteikti vienodesnį kelią ličio jonų migracijai, sumažinant ličio dendrito susidarymo galimybę. Nors ličio dendrito augimas visiškai pašalina praktinių pritaikymų iššūkius, tačiau kietojo kūno akumuliatorių pagerėjimo tendencija šiuo atžvilgiu yra akivaizdi, palyginti su skystų ličio jonų baterijomis.
Potenciali saugos rizika
Nepaisant daugybės kietojo kūno akumuliatorių pranašumų, atsižvelgiant į saugumą, jos nėra visiškai saugios. Tam tikrais kraštutiniais atvejais, pavyzdžiui, kai kietas elektrolitas sugenda, arba ličio dendritai prasiskverbia į kietą elektrolitą, sukeliantį trumpą jungimą, visų tvirtų būsenų ir pusiau kietų baterijų saugumą nėra pranašesnis už skysčių ličio jonų baterijų. Wuhano universiteto chemijos ir molekulinių mokslų mokykloje profesorius Ai Xinpingas pabrėžia, kad teiginys, kad visų tvirtų būklių baterijos turi ir didelio energijos tankį, ir geras saugumas iš tikrųjų apima konceptualų ranką. Kadangi kai kurios kietojo kūno akumuliatorių medžiagos avarijos atveju gali sukelti toksiškas dujas, tokias kaip vandenilio sulfidas, nors jos tiesiogiai nedegins žmonių, pavyzdžiui, tradicinių baterijų, vandenilio sulfido dujos yra toksiškos ir gali padaryti didelę žalą žmogaus kūnui.
Kietojo kūno akumuliatoriaus potencialas diapazone
Teoriškai kietojo kūno baterijos gali pasiekti didelį energijos tankį, kuris, tikimasi, žymiai padidins prietaisų ištvermę. Kietas elektrolitas leidžia naudoti gryną metalinį ličio kaip neigiamą elektrodą, o tai žymiai padidina energijos kaupimo talpą tūrio vienetui. Eksperimentiniai Kinijos mokslų akademijos bioenergijos ir bioprocesų technologijos instituto Eksperimentiniai duomenys rodo, kad jų kietojo kūno akumuliatorių mėginių energijos tankis viršijo 500Wh/kg, o 21700 baterijos, naudojamos 31700 baterijos, energijos tankis, yra tik 260WH/kg.
Elektrinių transporto priemonių pasirinkimas kaip pavyzdys, vairavimo diapazonas visada buvo dėmesys vartotojams. „Kunpeng“ baterija iš „Chery“, kaip kietojo kūno baterijų atstovas, planuoja pasiekti 400Wh/kg energijos tankį 2024 m. Ir padidinti ją iki 600Wh/kg 2025 m. Pagal planą, kai 2027 m. Jei šie tikslai bus pasiekti, tai labai palengvins elektromobilių vartotojų nerimą.
Iššūkiai realiame diapazone
Tačiau nuo laboratorijos iki praktinių pritaikymų kietojo kūno baterijos vis dar susiduria su tam tikrais iššūkiais, atsižvelgiant į diapazoną. Pirma, sąsajos varža tarp kietojo elektrolito ir elektrodų yra gana ryški, o tai yra panaši į rinkliavos kabinos nustatymą greitkelyje, trukdančioje greitam ličio jonų perdavimui ir įtakos baterijos įkrovimo ir išleidimo efektyvumui, taigi neigiamai veikia diapazoną. Antra, mirtinas sulfido elektrolito trūkumas, kuris sukelia labai toksišką vandenilio sulfidą, kai jis veikiamas vandens, ne tik padidina saugos riziką akumuliatoriaus gamybos ir naudojimo metu, bet ir kelia didelių iššūkių akumuliatoriaus stabilumui ir patikimumui. Be to, mažas kietojo elektrolitų plėvelės paruošimo išeiga sukelia dideles gamybos sąnaudas dideliu mastu, ribojant plačiai paplitusią kietojo kūno baterijų taikymą ir netiesiogiai paveikiančias jų tolimųjų pranašumų rinkoje procesą.
Išvada ir perspektyva
Apibendrinant galima pasakyti, kad kietojo kūno baterijos rodo didelį potencialą saugumo ir diapazono atžvilgiu. Kalbant apie saugumą, jų šiluminio stabilumo pranašumai yra akivaizdūs ir jie gali efektyviai slopinti ličio dendrito augimą, todėl daugeliu atvejų jie yra saugesni ir patikimesni nei tradicinės skystų ličio jonų baterijų. Tačiau esant ekstremalioms situacijoms, tokioms kaip kietas elektrolitų gedimas, vis dar kyla tam tikra saugos rizika. Kalbant apie diapazoną, teorinis didelio energijos tankio pranašumas suteikia galimybę tolimam nuotoliui, o kai kurie eksperimentiniai duomenys ir įmonių planai taip pat rodo perspektyvias perspektyvas. Tačiau praktiniuose pritaikymuose tokios problemos kaip sąsajos varža, elektrolitų defektai ir išlaidos tapo kliūtimis, trukdančiomis visapusiškai įgyvendinti jų tolimojo nuotolio pranašumus.
Nepaisant daugybės iššūkių, kietojo kūno baterijos vis dar laikomos svarbia naujos kartos akumuliatorių technologijų kūrimo kryptimi.