Baterai lithium ion solid state - pengenalan dan masa depannya
Daftar Isi
Saat ini, kendaraan listrik secara bertahap telah menjadi arus utama pasar mobil. Selain memperhatikan kecerdasan produk, jarak tempuh, dan kemampuan teknis, konsumen mobil paling memperhatikan baterai daya kendaraan listrik. Bagaimanapun, baterai daya adalah jantung dari kendaraan listrik. Sehingga produsen besar banyak berinvestasi dalam penelitian dan pengembangan baterai, terutama teknologi baterai solid state lithium ion.
Status pasar baterai lithium ion solid state
Dalam tiga tahun terakhir, dengan perluasan permintaan di pasar kendaraan listrik, daya industri baterai lithiumtelah didominasi oleh perusahaan pertambangan lithium hulu. Dan harga bijih litium telah meningkat tajam dari kurang dari 40.000 RMB/ton pada tahun 2020 menjadi 570.000 RMB/ton, menjadi "minyak putih" di era energi baru.
Awal tahun ini, kapasitas produksi penambangan lithium, terutama di Australia, telah meningkat, dan industri daur ulang bahan baterai telah membuka peluang baru karena kenaikan harga, dan sumber daya daur ulang sebagian besar telah menggantikan permintaan sumber daya asli.
Pada saat yang sama, setelah kenaikan kendaraan energi, permintaan hilir merosot sampai batas tertentu. Di bawah pukulan ganda dari permintaan dan penawaran, bijih lithium juga mengalami pukulan keras, dan harganya turun menjadi 150.000 RMB / ton hanya dalam waktu tiga bulan.
Pada saat yang sama dengan turunnya harga bijih lithium, ekonomi baterai lithium ion kembali disorot. Baterai solid state lithium ion, yang telah diremehkan dalam dua tahun terakhir, telah diakui oleh orang-orang lagi di bawah manfaat ganda dari pasar dan teknologi.
Apa yang dimaksud dengan baterai lithium ion solid state?
Jika baterai lithium ion diklasifikasikan menurut bentuk elektrolitnya, maka baterai tersebut dapat dibagi menjadi baterai cair dan baterai solid state sesuai dengan jumlah cairan di dalamnya, dan baterai solid state dapat dibagi menjadi tiga jenis: baterai semi-padat, baterai quasi-padat, dan baterai semua-padat.
Elektrolit dalam baterai cair terdiri dari cairan, sedangkan persentase massa elektrolit baterai semi-padat adalah <10%, persentase massa elektrolit baterai quasi-padat adalah <5%, dan semua baterai solid state tidak mengandung elektrolit cair.
Perbedaan antara baterai solid state dan baterai cair
Baterai solid state dan baterai cair berbeda dalam tiga hal berikut ini.
Kepadatan energi
Baterai cair akan mencapai batas kepadatan energi, sementara baterai solid-state memiliki batas atas yang lebih tinggi. Menurut data statistik, kepadatan energi baterai lithium ion telah meningkat tiga kali lipat dari tahun 1991 hingga 2015, dan GAGR sekitar 3%. Menurut perhitungan linier, kepadatan energi pada tahun 2020 dan 2025 hanya dapat mencapai 300Wh/kg dan 320Wh/kg.
Namun demikian, dari sudut pandang teknis praktis, karena aktivitas yang sangat kuat dan stabilitas yang buruk dari anoda logam litium, maka sangat sulit untuk kompatibel dengan elektrolit cair. Dengan demikian, keuntungan dari potensi elektrokimia terendah dan kapasitansi yang sangat tinggi tidak dapat dimanfaatkan, yang secara langsung membatasi pengembangan densitas energi seluruh baterai.
Selain itu, elektrolit sulit untuk mencocokkan katoda tegangan tinggi. Tegangan elektrolit arus utama saat ini tidak melebihi 4,5V, yang secara langsung membatasi kisaran opsional bahan katoda dan dengan demikian membatasi pengembangan kepadatan energi.
Dengan kata lain, laju pertumbuhan densitas energi baterai lithium ion telah melambat secara signifikan dan semakin mendekati batas teoretis. Tanpa memperbarui bahan, sulit untuk membuat terobosan baru.
Elektrolit padat dapat mengatasi masalah ini dengan baik. Dibandingkan dengan elektrolit cair, elektrolit padat memiliki kinerja elektrokimia yang lebih stabil dan dapat kompatibel dengan anoda logam litium yang sangat aktif. Pada saat yang sama, elektrolit padat dapat menghambat pengendapan dendrit litium, yang memenuhi kondisi yang diperlukan untuk aplikasi anoda logam litium.
Pada saat yang sama, beberapa elektrolit solid-state memiliki rentang tegangan yang lebih besar, yang dapat disesuaikan dengan bahan katoda tegangan tinggi. Jika anoda logam litium digunakan, secara teoritis, katoda dapat dibuat dari bahan bebas litium, dan kepadatan energi serta ruang pengurangan biaya diharapkan akan sangat meningkat. Kepadatan energi volumetrik lebih diharapkan melebihi 100Wh/L.
Keamanan
Baterai cair sulit untuk memecahkan masalah keamanan, sementara baterai solid state pada dasarnya mencegah terjadinya masalah.
Elektrolit adalah penyebab terbesar kecelakaan keselamatan baterai lithium ion cair. Pelarian termal baterai lithium terutama disebabkan oleh korsleting internal atau suhu pengoperasian yang tinggi, yang menyebabkan kenaikan suhu awal dan menyebabkan penguraian film SEI. Pada saat yang sama, kenaikan suhu elektrolit yang terus menerus melepaskan berbagai gas dan oksigen yang mudah terbakar, dan kemudian terbakar.
Saat ini, industri baterai lithium terutama mengandalkan mitigasi pelarian termal untuk menangani kecelakaan keselamatan, seperti menambahkan penghambat api atau gas lembam ke dalam sel baterai, dan menambahkan desain anti-tusukan atau penghalang termal pada permukaan kemasan. Namun, elektrolit berisiko tinggi masih menjadi esensi yang menyebabkan masalah keselamatan LIB, dan karena ini adalah bahan yang diperlukan LIB, masalah keselamatan tidak dapat diselesaikan secara teori.
Sementara itu, suhu awal pelarian elektrolit padat melebihi suhu elektrolit cair (120°C), dan elektrolit padat oksida adalah yang paling aman, dengan suhu pelarian termal melebihi 600°C, yang secara teoritis menghilangkan masalah keamanan seperti pembakaran baterai.
Optimalisasi proses
Ruang untuk optimasi proses baterai cair jauh lebih kecil daripada baterai solid state.
Saat ini, proses pembuatan baterai cair untuk telekomunikasi terutama mencakup persiapan elektroda (terutama metode basah) → penggulungan → pengemasan → injeksi cairan → pembentukan bahan kimia → penyortiran → perakitan. Sementara teknologi pencampuran, pelapisan, dan penggulungan/penumpukan bubur berkecepatan tinggi serta teknologi baterai berkapasitas besar mendorong perluasan kapasitas produksi jalur tunggal secara terus menerus.
Proses pembuatan baterai solid state
Namun, karena pelapisan dan pengeringan dengan efisiensi rendah, dan kebutuhan untuk menghentikan kawat dan memasukkan potongan tiang dalam proses penggulungan dalam proses persiapan elektroda basah, bahkan teknologi 4680 Tesla yang ditingkatkan masih melibatkan proses pengelasan laser yang rumit, sehingga masih ada hambatan besar dalam peningkatan efisiensi pembuatan baterai.
Selain itu, proses tradisional merakit CTM sebagai sel-modul-bodi baterai menggunakan sejumlah besar komponen dan menambah massa keseluruhan, serta melibatkan koneksi yang rumit dan sistem manajemen baterai.
Baterai solid state dapat menggunakan teknologi elektroda kering, yang merupakan teknologi produksi bebas pelarut. Caranya adalah dengan mencampurkan bahan katoda dan anoda dengan bahan pengikat, lalu langsung membentuk elektroda berbentuk lembaran atau film tipis melalui cara kalender, penyemprotan, ekstrusi, atau pengendapan uap.
Dibandingkan dengan persiapan elektroda basah, keunggulan teknologi kering terutama tercermin seperti di bawah ini: ① Lewati langkah-langkah pencampuran bubur, pengeringan, dan pemulihan pelarut berbahaya, yang menghemat biaya produksi seperti bahan, waktu, bengkel, dan tenaga kerja. ② Dari segi performa, elektroda lebih tebal dan densitas energinya lebih tinggi. ③ Lebih ramah lingkungan tanpa pelarut beracun.
Selain itu, dalam proses perakitan, sel baterai solid state dengan struktur bipolar multi-layer itu sendiri dapat dianggap sebagai proses pengepakan. Pengemasan padat yang terhubung secara serial dapat sangat meningkatkan tingkat pemanfaatan ruang, mencapai resistansi internal yang lebih rendah, kepadatan energi yang lebih tinggi, dan output saat ini. Dalam proses pengemasan selanjutnya, tidak diperlukan koneksi yang rumit, yang berarti ruang yang besar untuk meningkatkan efisiensi dan mengurangi biaya setelah produksi massal.
Optimalisasi baterai solid state
Optimalisasi baterai solid state dapat dimulai dari tiga aspek berikut ini.
Elektrolit
Saat ini, ada tiga rute utama untuk pemilihan bahan elektrolit untuk baterai solid-state, termasuk polimer, oksida, dan sulfida. Ketiga sistem teknis ini berbeda, dan masing-masing memiliki kelebihan dan kekurangannya sendiri.
– Polimer: Keuntungan dari polimer sebagai elektrolit adalah mudah untuk diproses, kompatibel dengan peralatan produksi yang ada dan proses elektrolit cair, dan memiliki sifat mekanik yang baik. Namun, konduktivitasnya terlalu rendah, dan perlu dipanaskan hingga 60°C untuk bekerja secara normal, dan tidak dapat disesuaikan dengan bahan katoda tegangan tinggi.
– Sulfida: Sulfida merupakan kebalikan dari polimer, memiliki konduktivitas tertinggi dan stabilitas elektrokimia yang luas, menjadikannya rute teknis yang paling potensial. Tetapi proses pembuatan sulfida sangat kompleks, dan mudah bereaksi dengan air dan oksigen di udara untuk menghasilkan gas hidrogen sulfida yang sangat beracun.
– Oksida: Oksida memiliki keunggulan dari kedua teknologi di atas. Memiliki konduktivitas, stabilitas, dan kinerja elektrokimia yang relatif baik, menjadikannya teknologi yang bergerak paling cepat saat ini. Karena biaya pengembangan dan kesulitannya yang relatif rendah, produsen Cina berfokus pada elektrolit padat oksida, yang diharapkan dapat ditingkatkan dalam baterai semi-padat.
Dari perspektif jangka panjang, meskipun penelitian dan pengembangan elektrolit padat sulfida sulit dilakukan, namun karena kinerjanya yang sangat baik dan potensinya yang besar, elektrolit ini menarik perusahaan baterai yang kuat dan bermodal besar untuk terus berinvestasi dalam penelitian dan pengembangan. Banyak pemimpin industri dengan akumulasi teknologi lebih dari sepuluh tahun memilihnya sebagai jalur teknologi utama, begitu terobosan tercapai, kemungkinan besar akan membentuk hambatan teknis yang tinggi.
Bahan elektroda
Baterai solid-state dapat bertahan dengan sistem anoda yang ada, tetapi tidak banyak membantu untuk meningkatkan kepadatan energi. Jika Anda ingin meningkatkan kapasitas secara signifikan, Anda perlu menggunakan anoda logam lithium yang lebih efisien.
Anoda logam litium memiliki keunggulan kepadatan energi yang tinggi, yang secara langsung berkaitan dengan kapasitas baterai. Oleh karena itu, kita dapat mengatakan bahwa perusahaan yang telah menguasai teknologi aplikasi anoda logam lithium akan dapat memperoleh keuntungan ganda dari kinerja dan biaya produk, dan menempati ketinggian strategis pasar.
Namun, saat ini, anoda logam lithium perlu menyelesaikan masalah stabilitas, dan ada potensi besar untuk mengurangi biaya produksi massal anoda logam lithium.
Baterai semi-padat
Semua baterai solid-state masih memiliki kesulitan teknis yang harus diatasi. Sebagai contoh, konduktivitas ionik elektrolit solid-state jauh lebih rendah daripada elektrolit cair, yang menyebabkan peningkatan yang signifikan pada resistansi internal baterai, kinerja siklus baterai yang buruk, dan kinerja laju yang buruk. Di sisi lain, biaya tinggi juga merupakan faktor yang membatasi komersialisasi baterai all-solid-state. Saat ini, rantai industri baterai lithium cair sudah sangat matang, dan baterai lithium dengan kinerja yang lebih baik dapat diproduksi dengan biaya rendah, sedangkan rantai industri baterai semua solid-state masih belum cukup matang. Saat ini, baterai semi-padat merupakan pilihan terbaik sebagai kompromi.
Proses manufaktur dan peralatan baterai semi-solid state sangat umum dengan baterai lithium saat ini, hanya beberapa tautan proses utama, seperti in situ solid-state, pencampuran dan injeksi cairan yang berbeda dari baterai cair saat ini. Namun, baterai semi-solid state memiliki banyak karakteristik seperti kepadatan energi yang tinggi, ukuran kecil, keamanan yang lebih tinggi, dan fleksibilitas yang lebih baik. Ini telah menjadi pilihan pertama dari rute teknologi baterai arus utama berikutnya untuk produsen mobil.
Pada saat yang sama, baterai semi-solid state juga dipandang sebagai rute transisi ke semua solid state. Bagaimanapun, tidak ada teknologi baru yang dapat dicapai dalam semalam, semuanya perlu diteliti dan dikembangkan selangkah demi selangkah.
Status pengembangan global baterai solid state
Transisi bertahap dari baterai cair ke baterai solid-state merupakan tren penting dalam kemajuan teknologi baterai lithium. Secara global, perusahaan mobil besar, perusahaan baterai, lembaga investasi, dan lembaga penelitian ilmiah secara aktif mengerahkan modal, teknologi, dan bakat untuk mempercepat industrialisasi baterai solid-state.
Produsen mobil terkemuka dan pemerintah di seluruh dunia memasuki perlombaan baterai solid-state. Dari perspektif global, secara kasar dapat dibagi menjadi tiga kubu: Tiongkok, Jepang dan Korea Selatan, Eropa dan Amerika Serikat.
Dalam hal arah teknologi, Jepang dan Korea Selatan memulai paling awal dan memilih rute elektrolit solid-state sulfida. Saat ini, perusahaan Jepang dan Korea Selatan memegang jumlah paten baterai solid-state yang paling banyak di dunia.
Pemerintah Korea Selatan mengumumkan pada tanggal 20 April bahwa mereka akan bersama-sama menginvestasikan 20 triliun KRW sebelum tahun 2030, yang dipimpin oleh pemerintah dan perusahaan baterai terkemuka, untuk mengembangkan teknologi baterai canggih, termasuk baterai solid-state, dan memulai produksi komersial pada tahun 2025, untuk mempertahankan kekuatan Korea Selatan di bidang baterai daya.
Di Eropa dan Amerika Serikat, rute elektrolit padat oksida sebagian besar dipilih untuk pengembangan aplikasi anoda logam lithium. Di Tiongkok, ketiga rute elektrolit solid-state telah ditetapkan. Sambil mengembangkan semua baterai solid-state, China juga dengan giat mengembangkan baterai semi-solid-state yang lebih ramah terhadap industri yang ada.
Ringkasan
Sebagai peningkatan dari baterai lithium tradisional, baterai solid-state memperoleh kepadatan energi yang lebih tinggi, keamanan yang lebih baik, ruang yang lebih besar untuk optimasi proses, dan fleksibilitas yang lebih kuat dengan mengganti elektrolit dan bahan elektroda, menjadi bentuk ideal baterai lithium generasi berikutnya.
Hingga saat ini, ketiga elektrolit padat tersebut memiliki kelebihan dan kekurangannya masing-masing, dan tidak ada yang sebagus secara teori. Selain itu, kurangnya produksi skala besar telah sangat meningkatkan biaya baterai solid-state.
Namun dengan berlalunya waktu dan terobosan teknologi, kita dapat percaya bahwa baterai solid-state secara bertahap akan menyebar, dan secara bertahap menggantikan baterai lithium cair tradisional di berbagai bidang.
Baterai lithium ion solid state - pengenalan dan masa depannya
Saat ini, kendaraan listrik secara bertahap telah menjadi arus utama pasar mobil. Selain memperhatikan kecerdasan produk, jarak tempuh, dan kemampuan teknis, konsumen mobil paling memperhatikan baterai daya kendaraan listrik. Bagaimanapun, baterai daya adalah jantung dari kendaraan listrik. Sehingga produsen besar banyak berinvestasi dalam penelitian dan pengembangan baterai, terutama teknologi baterai solid state lithium ion.
Status pasar baterai lithium ion solid state
Dalam tiga tahun terakhir, dengan perluasan permintaan di pasar kendaraan listrik, daya industri baterai lithium telah didominasi oleh perusahaan pertambangan lithium hulu. Dan harga bijih litium telah meningkat tajam dari kurang dari 40.000 RMB/ton pada tahun 2020 menjadi 570.000 RMB/ton, menjadi "minyak putih" di era energi baru.
Awal tahun ini, kapasitas produksi penambangan lithium, terutama di Australia, telah meningkat, dan industri daur ulang bahan baterai telah membuka peluang baru karena kenaikan harga, dan sumber daya daur ulang sebagian besar telah menggantikan permintaan sumber daya asli.
Pada saat yang sama, setelah kenaikan kendaraan energi, permintaan hilir merosot sampai batas tertentu. Di bawah pukulan ganda dari permintaan dan penawaran, bijih lithium juga mengalami pukulan keras, dan harganya turun menjadi 150.000 RMB / ton hanya dalam waktu tiga bulan.
Pada saat yang sama dengan turunnya harga bijih lithium, ekonomi baterai lithium ion kembali disorot. Baterai solid state lithium ion, yang telah diremehkan dalam dua tahun terakhir, telah diakui oleh orang-orang lagi di bawah manfaat ganda dari pasar dan teknologi.
Apa yang dimaksud dengan baterai lithium ion solid state?
Jika baterai lithium ion diklasifikasikan menurut bentuk elektrolitnya, maka baterai tersebut dapat dibagi menjadi baterai cair dan baterai solid state sesuai dengan jumlah cairan di dalamnya, dan baterai solid state dapat dibagi menjadi tiga jenis: baterai semi-padat, baterai quasi-padat, dan baterai semua-padat.
Elektrolit dalam baterai cair terdiri dari cairan, sedangkan persentase massa elektrolit baterai semi-padat adalah <10%, persentase massa elektrolit baterai quasi-padat adalah <5%, dan semua baterai solid state tidak mengandung elektrolit cair.
Perbedaan antara baterai solid state dan baterai cair
Baterai solid state dan baterai cair berbeda dalam tiga hal berikut ini.
Kepadatan energi
Baterai cair akan mencapai batas kepadatan energi, sementara baterai solid-state memiliki batas atas yang lebih tinggi.
Menurut data statistik, kepadatan energi baterai lithium ion telah meningkat tiga kali lipat dari tahun 1991 hingga 2015, dan GAGR sekitar 3%. Menurut perhitungan linier, kepadatan energi pada tahun 2020 dan 2025 hanya dapat mencapai 300Wh/kg dan 320Wh/kg.
Namun demikian, dari sudut pandang teknis praktis, karena aktivitas yang sangat kuat dan stabilitas yang buruk dari anoda logam litium, maka sangat sulit untuk kompatibel dengan elektrolit cair. Dengan demikian, keuntungan dari potensi elektrokimia terendah dan kapasitansi yang sangat tinggi tidak dapat dimanfaatkan, yang secara langsung membatasi pengembangan densitas energi seluruh baterai.
Selain itu, elektrolit sulit untuk mencocokkan katoda tegangan tinggi. Tegangan elektrolit arus utama saat ini tidak melebihi 4,5V, yang secara langsung membatasi kisaran opsional bahan katoda dan dengan demikian membatasi pengembangan kepadatan energi.
Dengan kata lain, laju pertumbuhan densitas energi baterai lithium ion telah melambat secara signifikan dan semakin mendekati batas teoretis. Tanpa memperbarui bahan, sulit untuk membuat terobosan baru.
Elektrolit padat dapat mengatasi masalah ini dengan baik. Dibandingkan dengan elektrolit cair, elektrolit padat memiliki kinerja elektrokimia yang lebih stabil dan dapat kompatibel dengan anoda logam litium yang sangat aktif. Pada saat yang sama, elektrolit padat dapat menghambat pengendapan dendrit litium, yang memenuhi kondisi yang diperlukan untuk aplikasi anoda logam litium.
Pada saat yang sama, beberapa elektrolit solid-state memiliki rentang tegangan yang lebih besar, yang dapat disesuaikan dengan bahan katoda tegangan tinggi. Jika anoda logam litium digunakan, secara teoritis, katoda dapat dibuat dari bahan bebas litium, dan kepadatan energi serta ruang pengurangan biaya diharapkan akan sangat meningkat. Kepadatan energi volumetrik lebih diharapkan melebihi 100Wh/L.
Keamanan
Baterai cair sulit untuk memecahkan masalah keamanan, sementara baterai solid state pada dasarnya mencegah terjadinya masalah.
Elektrolit adalah penyebab terbesar kecelakaan keselamatan baterai lithium ion cair. Pelarian termal baterai lithium terutama disebabkan oleh korsleting internal atau suhu pengoperasian yang tinggi, yang menyebabkan kenaikan suhu awal dan menyebabkan penguraian film SEI. Pada saat yang sama, kenaikan suhu elektrolit yang terus menerus melepaskan berbagai gas dan oksigen yang mudah terbakar, dan kemudian terbakar.
Saat ini, industri baterai lithium terutama mengandalkan mitigasi pelarian termal untuk menangani kecelakaan keselamatan, seperti menambahkan penghambat api atau gas lembam ke dalam sel baterai, dan menambahkan desain anti-tusukan atau penghalang termal pada permukaan kemasan. Namun, elektrolit berisiko tinggi masih menjadi esensi yang menyebabkan masalah keselamatan LIB, dan karena ini adalah bahan yang diperlukan LIB, masalah keselamatan tidak dapat diselesaikan secara teori.
Sementara itu, suhu awal pelarian elektrolit padat melebihi suhu elektrolit cair (120°C), dan elektrolit padat oksida adalah yang paling aman, dengan suhu pelarian termal melebihi 600°C, yang secara teoritis menghilangkan masalah keamanan seperti pembakaran baterai.
Optimalisasi proses
Ruang untuk optimasi proses baterai cair jauh lebih kecil daripada baterai solid state.
Saat ini, proses pembuatan baterai cair untuk telekomunikasi terutama mencakup persiapan elektroda (terutama metode basah) → penggulungan → pengemasan → injeksi cairan → pembentukan bahan kimia → penyortiran → perakitan. Sementara teknologi pencampuran, pelapisan, dan penggulungan/penumpukan bubur berkecepatan tinggi serta teknologi baterai berkapasitas besar mendorong perluasan kapasitas produksi jalur tunggal secara terus menerus.
Namun, karena pelapisan dan pengeringan dengan efisiensi rendah, dan kebutuhan untuk menghentikan kawat dan memasukkan potongan tiang dalam proses penggulungan dalam proses persiapan elektroda basah, bahkan teknologi 4680 Tesla yang ditingkatkan masih melibatkan proses pengelasan laser yang rumit, sehingga masih ada hambatan besar dalam peningkatan efisiensi pembuatan baterai.
Selain itu, proses tradisional merakit CTM sebagai sel-modul-bodi baterai menggunakan sejumlah besar komponen dan menambah massa keseluruhan, serta melibatkan koneksi yang rumit dan sistem manajemen baterai.
Baterai solid state dapat menggunakan teknologi elektroda kering, yang merupakan teknologi produksi bebas pelarut. Caranya adalah dengan mencampurkan bahan katoda dan anoda dengan bahan pengikat, lalu langsung membentuk elektroda berbentuk lembaran atau film tipis melalui cara kalender, penyemprotan, ekstrusi, atau pengendapan uap.
Dibandingkan dengan persiapan elektroda basah, keunggulan teknologi kering terutama tercermin seperti di bawah ini:
① Lewati langkah-langkah pencampuran bubur, pengeringan, dan pemulihan pelarut berbahaya, yang menghemat biaya produksi seperti bahan, waktu, bengkel, dan tenaga kerja.
② Dari segi performa, elektroda lebih tebal dan densitas energinya lebih tinggi.
③ Lebih ramah lingkungan tanpa pelarut beracun.
Selain itu, dalam proses perakitan, sel baterai solid state dengan struktur bipolar multi-layer itu sendiri dapat dianggap sebagai proses pengepakan. Pengemasan padat yang terhubung secara serial dapat sangat meningkatkan tingkat pemanfaatan ruang, mencapai resistansi internal yang lebih rendah, kepadatan energi yang lebih tinggi, dan output saat ini. Dalam proses pengemasan selanjutnya, tidak diperlukan koneksi yang rumit, yang berarti ruang yang besar untuk meningkatkan efisiensi dan mengurangi biaya setelah produksi massal.
Optimalisasi baterai solid state
Optimalisasi baterai solid state dapat dimulai dari tiga aspek berikut ini.
Elektrolit
Saat ini, ada tiga rute utama untuk pemilihan bahan elektrolit untuk baterai solid-state, termasuk polimer, oksida, dan sulfida. Ketiga sistem teknis ini berbeda, dan masing-masing memiliki kelebihan dan kekurangannya sendiri.
– Polimer: Keuntungan dari polimer sebagai elektrolit adalah mudah untuk diproses, kompatibel dengan peralatan produksi yang ada dan proses elektrolit cair, dan memiliki sifat mekanik yang baik. Namun, konduktivitasnya terlalu rendah, dan perlu dipanaskan hingga 60°C untuk bekerja secara normal, dan tidak dapat disesuaikan dengan bahan katoda tegangan tinggi.
– Sulfida: Sulfida merupakan kebalikan dari polimer, memiliki konduktivitas tertinggi dan stabilitas elektrokimia yang luas, menjadikannya rute teknis yang paling potensial. Tetapi proses pembuatan sulfida sangat kompleks, dan mudah bereaksi dengan air dan oksigen di udara untuk menghasilkan gas hidrogen sulfida yang sangat beracun.
– Oksida: Oksida memiliki keunggulan dari kedua teknologi di atas. Memiliki konduktivitas, stabilitas, dan kinerja elektrokimia yang relatif baik, menjadikannya teknologi yang bergerak paling cepat saat ini. Karena biaya pengembangan dan kesulitannya yang relatif rendah, produsen Cina berfokus pada elektrolit padat oksida, yang diharapkan dapat ditingkatkan dalam baterai semi-padat.
Dari perspektif jangka panjang, meskipun penelitian dan pengembangan elektrolit padat sulfida sulit dilakukan, namun karena kinerjanya yang sangat baik dan potensinya yang besar, elektrolit ini menarik perusahaan baterai yang kuat dan bermodal besar untuk terus berinvestasi dalam penelitian dan pengembangan. Banyak pemimpin industri dengan akumulasi teknologi lebih dari sepuluh tahun memilihnya sebagai jalur teknologi utama, begitu terobosan tercapai, kemungkinan besar akan membentuk hambatan teknis yang tinggi.
Bahan elektroda
Baterai solid-state dapat bertahan dengan sistem anoda yang ada, tetapi tidak banyak membantu untuk meningkatkan kepadatan energi. Jika Anda ingin meningkatkan kapasitas secara signifikan, Anda perlu menggunakan anoda logam lithium yang lebih efisien.
Anoda logam litium memiliki keunggulan kepadatan energi yang tinggi, yang secara langsung berkaitan dengan kapasitas baterai. Oleh karena itu, kita dapat mengatakan bahwa perusahaan yang telah menguasai teknologi aplikasi anoda logam lithium akan dapat memperoleh keuntungan ganda dari kinerja dan biaya produk, dan menempati ketinggian strategis pasar.
Namun, saat ini, anoda logam lithium perlu menyelesaikan masalah stabilitas, dan ada potensi besar untuk mengurangi biaya produksi massal anoda logam lithium.
Baterai semi-padat
Semua baterai solid-state masih memiliki kesulitan teknis yang harus diatasi. Sebagai contoh, konduktivitas ionik elektrolit solid-state jauh lebih rendah daripada elektrolit cair, yang menyebabkan peningkatan yang signifikan pada resistansi internal baterai, kinerja siklus baterai yang buruk, dan kinerja laju yang buruk.
Di sisi lain, biaya tinggi juga merupakan faktor yang membatasi komersialisasi baterai all-solid-state. Saat ini, rantai industri baterai lithium cair sudah sangat matang, dan baterai lithium dengan kinerja yang lebih baik dapat diproduksi dengan biaya rendah, sedangkan rantai industri baterai semua solid-state masih belum cukup matang. Saat ini, baterai semi-padat merupakan pilihan terbaik sebagai kompromi.
Proses manufaktur dan peralatan baterai semi-solid state sangat umum dengan baterai lithium saat ini, hanya beberapa tautan proses utama, seperti in situ solid-state, pencampuran dan injeksi cairan yang berbeda dari baterai cair saat ini. Namun, baterai semi-solid state memiliki banyak karakteristik seperti kepadatan energi yang tinggi, ukuran kecil, keamanan yang lebih tinggi, dan fleksibilitas yang lebih baik. Ini telah menjadi pilihan pertama dari rute teknologi baterai arus utama berikutnya untuk produsen mobil.
Pada saat yang sama, baterai semi-solid state juga dipandang sebagai rute transisi ke semua solid state. Bagaimanapun, tidak ada teknologi baru yang dapat dicapai dalam semalam, semuanya perlu diteliti dan dikembangkan selangkah demi selangkah.
Status pengembangan global baterai solid state
Transisi bertahap dari baterai cair ke baterai solid-state merupakan tren penting dalam kemajuan teknologi baterai lithium. Secara global, perusahaan mobil besar, perusahaan baterai, lembaga investasi, dan lembaga penelitian ilmiah secara aktif mengerahkan modal, teknologi, dan bakat untuk mempercepat industrialisasi baterai solid-state.
Produsen mobil terkemuka dan pemerintah di seluruh dunia memasuki perlombaan baterai solid-state. Dari perspektif global, secara kasar dapat dibagi menjadi tiga kubu: Tiongkok, Jepang dan Korea Selatan, Eropa dan Amerika Serikat.
Dalam hal arah teknologi, Jepang dan Korea Selatan memulai paling awal dan memilih rute elektrolit solid-state sulfida. Saat ini, perusahaan Jepang dan Korea Selatan memegang jumlah paten baterai solid-state yang paling banyak di dunia.
Pemerintah Korea Selatan mengumumkan pada tanggal 20 April bahwa mereka akan bersama-sama menginvestasikan 20 triliun KRW sebelum tahun 2030, yang dipimpin oleh pemerintah dan perusahaan baterai terkemuka, untuk mengembangkan teknologi baterai canggih, termasuk baterai solid-state, dan memulai produksi komersial pada tahun 2025, untuk mempertahankan kekuatan Korea Selatan di bidang baterai daya.
Di Eropa dan Amerika Serikat, rute elektrolit padat oksida sebagian besar dipilih untuk pengembangan aplikasi anoda logam lithium. Di Tiongkok, ketiga rute elektrolit solid-state telah ditetapkan. Sambil mengembangkan semua baterai solid-state, China juga dengan giat mengembangkan baterai semi-solid-state yang lebih ramah terhadap industri yang ada.
Ringkasan
Sebagai peningkatan dari baterai lithium tradisional, baterai solid-state memperoleh kepadatan energi yang lebih tinggi, keamanan yang lebih baik, ruang yang lebih besar untuk optimasi proses, dan fleksibilitas yang lebih kuat dengan mengganti elektrolit dan bahan elektroda, menjadi bentuk ideal baterai lithium generasi berikutnya.
Hingga saat ini, ketiga elektrolit padat tersebut memiliki kelebihan dan kekurangannya masing-masing, dan tidak ada yang sebagus secara teori. Selain itu, kurangnya produksi skala besar telah sangat meningkatkan biaya baterai solid-state.
Namun dengan berlalunya waktu dan terobosan teknologi, kita dapat percaya bahwa baterai solid-state secara bertahap akan menyebar, dan secara bertahap menggantikan baterai lithium cair tradisional di berbagai bidang.