Pašreizējā jauno enerģijas tehnoloģiju enerģiskas attīstības vilnī cietvielu akumulators kā ļoti daudzsološa nākamās paaudzes akumulatora tehnoloģija ir piesaistījusi plašu uzmanību no visām dzīves jomām. Tā kā cilvēku prasības par elektronisko ierīču izturību un elektrisko transportlīdzekļu braukšanas diapazonu turpina pieaugt, un to uzsvars uz akumulatoru drošības veiktspēju pieaug katru dienu, ir ļoti paredzēts, ka cietā stāvokļa akumulators ir ļoti paredzēts, lai pievērstos daudziem tradicionālo šķidruma litija jonu bateriju sāpju punktiem drošības un diapazona ziņā. Tomēr pirms tā liela mēroga popularizācijas un pielietojuma ir galvenais jautājums, kas kavējas ar patērētāju prātiem: vai cietā stāvokļa akumulators ir drošs un spējīgs nodrošināt lielu diapazonu? Lai atbildētu uz šo jautājumu, mums ir jāiedziļinās cietvielu bateriju darba mehānismā, tehniskajās īpašībās un pašreizējā pētniecības un pielietojuma statusā.
Darba princips un cietvielu akumulatora struktūras īpašības
Galvenā atšķirība starp cietvielu akumulatoru un tradicionālo šķidruma litija jonu akumulatoru ir elektrolīta veidā. Tradicionālās šķidruma litija jonu akumulatoros tiek izmantots šķidrs elektrolīts, lai panāktu uzlādes un izlādes procesu, pārvietojoties litija joniem starp pozitīvajiem un negatīvajiem elektrodiem. Turpretī cietvielu baterijas izmanto cietu elektrolītu, kas parasti ir izgatavots no keramikas, polimēra vai sulfīda materiāliem. Cietā stāvokļa baterijās litija joni arī dezintercalējas no pozitīvā elektroda uzlādes laikā un starp cieto elektrolītu starpkalāciju negatīvajā elektrodā; Izlādes laikā viņi pārvietojas pretējā virzienā, bet elektroni plūst no negatīvā elektroda uz pozitīvo elektrodu caur ārējo ķēdi, veidojot strāvu, lai darbinātu ierīci.
Cieto elektrolītu lietošana ar cietvielu baterijām ar unikālām konstrukcijas īpašībām. Salīdzinot ar šķidruma elektrolītu, kam ir nepieciešams atdalītājs, lai novērstu īssavienojumu starp pozitīvajiem un negatīvajiem elektrodiem, pašam cietajam elektrolītam ir jonu vadīšanas un elektrodu izolācijas divkāršās funkcijas, padarot akumulatora struktūru kompaktāku. Tikmēr cietajam elektrolītam ir lielāka stabilitāte un tas ir mazāk pakļauts attaisnošanai un noplūdei, liekot pamatus uzlabot akumulatora drošības veiktspēju.
Cietvielu akumulatora drošības veiktspēja
Tradicionālās šķidrās litija jonu baterijas rada termisko bēgšanas risku augstas temperatūras apstākļos. Kad akumulatora temperatūra pārsniedz noteiktu slieksni, piemēram, 80 grādi, šķidrais elektrolīts var sadalīties, lai iegūtu viegli uzliesmojamas gāzes, un pastiprināsies akumulatora sānu reakcijas, izraisot ātru siltuma uzkrāšanos un galu galā izraisot akumulatora aizdegšanos vai pat eksplodēt. Vācijas Tüv testēšanas aģentūras dati skaidri atklāj šīs slēptās briesmas.
Cietā stāvokļa baterijām ir ievērojamas priekšrocības termiskajā stabilitātē. Tā kā nav gaistošu un viegli uzliesmojošu šķidruma komponentu cietā elektrolītā, tā termiskā stabilitāte ir daudz augstāka nekā šķidruma elektrolītam. Japānas jaunā enerģijas un rūpniecisko tehnoloģiju attīstības organizācijas (NEDO) veiktā punkcijas pārbaude ir iespaidīga: kad tērauda adata caurdurtu cietvielu akumulatoru, akumulatora temperatūra paaugstinās tikai par 2 grādiem, turpretī tradicionālais šķidruma litija jonu akumulators aizdedzinās un eksplodēs tikai 3 sekundes. Šis eksperimentālais rezultāts vizuāli parāda cietvielu bateriju augstāko drošību, ņemot vērā ārkārtēju mehānisku vardarbību.
Papīrā ar nosaukumu "Vai cietvielu baterijas ir drošākas nekā (šķidrās) litija jonu baterijas?" Pētnieki publicēti zinātnē 2022. gada aprīlī, pētnieki apsprieda šķidro litija jonu bateriju siltuma izdalīšanos un temperatūras paaugstināšanās robežas, daļēji cietas baterijas ar noteiktu daudzumu elektrolīta un visu cietā stāvokļa baterijām trīs termisko bēgšanas scenārijos. Pētījumā atklājās, ka termiskā bēguļojošā stāvoklī, ko izraisa ārēja sildīšana, visu cieto stāvokļu baterijas pārspēj daļēji cietas un šķidru litija jonu baterijas. Augsts cietā elektrolīta blīvums visu cieto stāvokļu baterijās var veidot efektīvu gāzes barjeru, novēršot kontaktu starp litiju uz negatīvo elektrodu un skābekli, kas izdalās no pozitīvā elektroda. Šajā hipotētiskajā scenārijā nav būtiska siltuma izdalīšanās.
Litija dendrīta augšanas kavēšana
Tradicionālo šķidruma litija jonu akumulatoru uzlādes un izlādes procesa laikā litija joni var tieši izkristalizēt uz negatīvā elektroda virsmas ātras uzlādes laikā, veidojot bīstamus litija dendrītus. Litija dendrītu pieaugums ne tikai izraisa akumulatora ietilpības samazināšanos, bet arī var caurdurt atdalītāju, izraisot īssavienojumu starp pozitīvajiem un negatīvajiem elektrodiem un izraisot drošības incidentu. Šīs slēptās briesmas atklāja inženieri no CATL.
Cietā stāvokļa baterijas parāda potenciālu litija dendrīta augšanas kavēšanā. Cietā elektrolīta īpašā struktūra un īpašības var nodrošināt vienveidīgāku ceļu litija jonu migrācijai, samazinot litija dendrīta veidošanās iespēju. Lai arī litija dendrīta izaugsmes pilnīga novēršana joprojām rada izaicinājumus praktiskā pielietojumā, cietvielu bateriju uzlabošanas tendence šajā sakarā ir acīmredzama, salīdzinot ar šķidrām litija jonu baterijām.
Iespējamie drošības riski
Neskatoties uz daudzajām cietvielu bateriju priekšrocībām drošības ziņā, tās nav absolūti drošas. Dažos ārkārtējos gadījumos, piemēram, kad cietais elektrolīts neizdodas vai litija dendrīti iekļūst cietajā elektrolītā, izraisot īssavienojumu, visu cietā stāvokļa bateriju un daļēji cietu bateriju drošība nav pārāka par šķidruma litija jonu baterijām. Vuhanas universitātes Ķīmijas un molekulāro zinātņu skolas profesors Ai Xinping norāda, ka apgalvojums, ka visu cieto stāvokļu baterijām ir gan liela enerģijas blīvums, gan laba drošība faktiski ir saistīta ar rokas konceptuālu slīdēšanu. Tā kā daži materiāli cietvielu baterijās var radīt toksiskas gāzes, piemēram, sērūdeņradi negadījuma gadījumā, kaut arī tie tieši nededzinās cilvēkus, piemēram, tradicionālās baterijas, sērūdeņradis ir toksisks un var radīt nopietnu kaitējumu cilvēka ķermenim.
Cietvielu akumulatora potenciāls diapazonā
Teorētiski cietvielu baterijām ir potenciāls sasniegt augstu enerģijas blīvumu, kas, domājams, ievērojami uzlabos ierīču izturību. Cietais elektrolīts ļauj izmantot tīru metālisku litiju kā negatīvo elektrodu, kas ievērojami palielina enerģijas uzkrāšanas jaudu uz tilpuma vienību. Ķīnas Zinātņu akadēmijas Bioenerģijas un bioprocesa tehnoloģijas eksperimentālie dati liecina, ka to cietā stāvokļa akumulatora paraugu enerģijas blīvums ir pārsniedzis 500Wh\/kg enerģijas blīvumu, savukārt TesLA 3. modelī izmantotais enerģijas blīvums ir tikai 260Wh\/kg.
Elektrisko transportlīdzekļu izmantošana kā piemērs, braukšanas diapazons vienmēr ir bijis uzmanības centrā. Kunpeng akumulators no Chery kā cietā stāvokļa bateriju pārstāvis plāno 2024. gadā sasniegt enerģijas blīvumu 400 WH\/KG un 2025. gadā to palielināt līdz 600wh\/kg. Saskaņā ar plānu, kad 2027. gadā tiek ražots masveida ražotais tīrais elektriskais braukšanas diapazons, kas pārsniegs 1500 km. Ja šie mērķi tiks sasniegti, tas ievērojami mazinās elektrisko transportlīdzekļu lietotāju trauksmes diapazonu.
Izaicinājumi faktiskajā diapazonā
Tomēr, sākot no laboratorijas līdz praktiskiem pielietojumiem, cietvielu baterijas joprojām saskaras ar dažām problēmām diapazona ziņā. Pirmkārt, saskarnes pretestība starp cieto elektrolītu un elektrodiem ir samērā pamanāma, kas ir līdzīga nodevas kabīnes iestatīšanai uz šosejas, kavējot straujo litija jonu pārraidi un ietekmējot akumulatora uzlādes un izlādes efektivitāti, tādējādi nelabvēlīgi ietekmējot diapazonu. Otrkārt, sulfīda elektrolīta letālais trūkums, kas rada ļoti toksisku sērūdeņradi, kad tas tiek pakļauts ūdenim, ne tikai palielina drošības riskus akumulatora ražošanas un lietošanas laikā, bet arī rada nopietnas problēmas akumulatora stabilitātei un uzticamībai. Turklāt zema cietā elektrolītu plēves preparāta raža plašā mērogā rada augstas ražošanas izmaksas, ierobežojot plaši izplatīto cietvielu bateriju piemērošanu un netieši ietekmējot to tālsatiksmes priekšrocību parādīšanas procesu tirgū.
Secinājums un perspektīva
Rezumējot, cietā stāvokļa baterijas parāda ievērojamu potenciālu drošības un diapazona ziņā. Drošības ziņā to termiskās stabilitātes priekšrocības ir acīmredzamas, un tās var efektīvi kavēt litija dendrīta augšanu, padarot tās drošākas un uzticamākas nekā tradicionālās šķidruma litija jonu baterijas vairumā gadījumu. Tomēr, ņemot vērā tādas ārkārtas situācijas kā ciets elektrolītu mazspēja, joprojām pastāv daži drošības riski. Runājot par diapazonu, augstas enerģijas blīvuma teorētiskā priekšrocība nodrošina iespēju lielā mērā, un daži eksperimentāli dati un korporatīvie plāni parāda arī daudzsološās izredzes. Tomēr praktiskos pielietojumos tādi jautājumi kā interfeisa pretestība, elektrolītu defekti un izmaksas ir kļuvušas par šķēršļiem, kas kavē to pilnīgu to tālsatiksmes priekšrocību realizāciju.
Neskatoties uz daudziem izaicinājumiem, cietvielu baterijas joprojām tiek uzskatītas par svarīgu attīstības virzienu nākamās paaudzes akumulatoru tehnoloģijām.