Bateri keadaan pepejal: Bilakah "Pengganti" Akan Menjadi "Tunjang Utama"?

Bateri keadaan pepejalmuncul sebagai sumber kuasa generasi akan datang, tetapi bateri pepejal-cecair hibrid mungkin akan dikomersialkan terlebih dahulu dan bertindak sebagai jambatan penting antara sel litium-ion cecair hari ini dan sistem keadaan pepejal masa hadapan.

Apakah bateri keadaan pepejal

Bateri keadaan pepejal menggantikan elektrolit cecair mudah terbakar dengan bahan pepejal sambil membolehkan ketumpatan tenaga yang lebih tinggi dan prestasi keselamatan yang lebih baik. Katod mereka boleh menggunakan bahan bertenaga tinggi seperti sebatian berasaskan mangan yang kaya litium, manakala anod boleh menggabungkan nano-silikon dan grafit untuk menolak ketumpatan tenaga ke arah 300-450 Wh/kg.

Elektrolit pepejal membawa ion litium tanpa risiko kebocoran dan dengan ketara mengurangkan kebarangkalian lari haba.

Anod berkapasiti lebih tinggi dan katod voltan tinggi memberikan bateri keadaan pepejal potensi untuk jarak pemanduan yang lebih panjang dalam kenderaan elektrik dan daya tahan yang lebih baik dalam dron atau sistem storan tenaga.

Pepejal-cecair hibrid sebagai peralihan

Artikel itu membezakan bateri litium cecair, pepejal hibrid dan bateri litium semua keadaan pepejal, dengan menekankan bahawa reka bentuk hibrid merupakan peringkat peralihan yang penting. Bateri separa pepejal, separa pepejal dan "pepejal" di pasaran sebahagian besarnya termasuk dalam kategori hibrid ini, hanya berbeza dalam nisbah cecair kepada elektrolit pepejal.

Bateri pepejal-cecair hibrid masih mengandungi beberapa elektrolit cecair, yang meningkatkan sentuhan dengan bahan aktif dan memudahkan pembuatan.

Bateri semua keadaan pepejal hanya mengandungi elektrolit pepejal, menawarkan keselamatan intrinsik yang lebih baik dan ketumpatan tenaga teori yang lebih tinggi tetapi menghadapi cabaran kejuruteraan yang lebih teruk hari ini.

Halangan teknikal kepada keadaan pepejal penuh

Walaupun banyak syarikat dan institut penyelidikan di seluruh dunia melabur dalam teknologi keadaan pepejal, tiada sel kuasa keadaan pepejal berkapasiti besar yang masih memadankan bateri litium-ion cecair pada kedua-dua prestasi dan kos. Kesukaran teras terletak pada antara muka pepejal-pepejal, di mana bahan elektrolit tegar menyukarkan untuk mengekalkan sentuhan intim dengan elektrod semasa berbasikal dan perubahan volum.

Laluan semasa termasuk polimer, filem nipis, sulfida, dan bateri keadaan pepejal oksida, masing-masing mempunyai kelebihan dan had yang berbeza.

Sebagai contoh, sel keadaan pepejal polimer bergelut pada suhu bilik dan dengan katod voltan tinggi, manakala sistem sulfida sensitif kepada udara dan memerlukan keadaan pembuatan yang menuntut.

Strategi pemejalan in-situ

Untuk mengatasi isu antara muka sambil memanfaatkan infrastruktur litium-ion sedia ada, penyelidik mencadangkan pendekatan pemejalan in-situ untuk elektrolit pepejal-cecair hibrid. Semasa pemasangan sel, prekursor cecair memastikan pembasahan dan sentuhan yang baik; kemudian, tindak balas kimia atau elektrokimia menukarkan semua atau sebahagian cecair ini menjadi elektrolit pepejal di dalam sel.

Kaedah ini meningkatkan sentuhan elektrod-elektrolit, menyekat pertumbuhan litium dendrit, dan mengimbangi prestasi keselamatan, voltan tinggi dan pengecasan pantas.

Ia juga boleh menggunakan semula kebanyakan proses pengeluaran litium-ion cecair semasa, membantu pengeluar meningkatkan dengan lebih cepat dan mengurangkan kos.

Arah pembangunan masa hadapan

Pakar menjangkakan bahawa bateri litium semua keadaan pepejal memerlukan kira-kira lima tahun lagi sebelum pengkomersilan berskala besar yang sebenar, jadi bateri kuasa pepejal-cecair hibrid kekal sebagai laluan jangka pendek yang realistik. Untuk mempercepatkan perindustrian, artikel itu menyerlahkan keperluan untuk kemajuan yang diselaraskan dalam bahan, reka bentuk sel, pembuatan dan piawaian.

Keutamaan termasuk: membangunkan elektrolit pepejal dengan kekonduksian ionik yang seimbang, kestabilan dan kebolehprosesan; memadankan elektrod bertenaga tinggi seperti katod nikel tinggi dan anod logam silikon-karbon atau litium; dan menyepadukan simulasi digital dengan pembuatan pintar.

Industri digalakkan untuk membina rantaian bekalan yang teguh untuk bahan utama, melabur dalam peralatan automatik, memperbaiki sistem ujian dan penilaian, dan secara beransur-ansur berkembang daripada pepejal-cecair hibrid bateri litium-ionke arah bateri logam litium keadaan pepejal sepenuhnya.