Kondisi solid baterai - ikhtisar dan panduan utama
Dengan pesatnya perkembangan teknologi energi baru, baterai solid state, sebagai jenis perangkat penyimpanan energi baru dengan potensi besar, secara bertahap beralih dari laboratorium ke industrialisasi. Baterai ini telah menarik perhatian dunia karena kepadatan energinya yang tinggi, kinerja keselamatan yang unggul, dan masa pakai yang lama.
Artikel ini akan memberikan panduan komprehensif mengenai gambaran umum, prinsip, keuntungan dan kerugian dari keadaan padat baterai.
Daftar Isi
Apa yang dimaksud dengan kondisi padat baterai?
Baterai solid state adalah jenis baterai yang menggunakan elektroda padat dan elektrolit padat. Bahan elektroda negatif baterai solid state dapat berupa elektroda negatif komposit silikon nano dan grafit, dan bahan katoda dapat berupa litium manganat, bahan berbasis litium manganat yang kaya litium, atau bahan katoda non-litium. Elektrolitnya adalah elektrolit padat dengan kepadatan energi 300 hingga 450 watt-jam/kg.
Baterai solid state menggunakan elektrolit padat untuk menggantikan elektrolit dan pemisah baterai lithiumyang lebih aman, memiliki kepadatan energi yang lebih tinggi dan kinerja bersepeda yang lebih kuat, dan telah menjadi arah penelitian dan pengembangan utama baterai daya generasi berikutnya.
Berdasarkan bahan elektrolit, keadaan padat baterai dapat dibagi menjadi tiga elektrolit polimer, oksida, dan sulfida. Menurut berbagai jenis elektroda negatif, baterai lithium solid-state dapat dibagi menjadi baterai lithium ion solid-state dan baterai logam lithium solid-state.
Mekanisme konduksi ion dari kondisi padat baterai
Elektrolit padat umumnya dibagi menjadi elektrolit padat anorganik dan elektrolit padat berbasis polimer. Migrasi ion dalam bahan kristal elektrolit padat anorganik biasanya mengikuti rumus Arrhenius, yang bergantung pada konsentrasi dan distribusi cacat dalam struktur kristal. Mekanisme difusi ion berdasarkan cacat titik Schottky dan Frenkel meliputi difusi kekosongan sederhana dan mekanisme bivakensi yang relatif kompleks, mekanisme celah, dan mekanisme pertukaran celah-perpindahan.
Elektrolit polimer padat umumnya merupakan larutan padat yang dibentuk oleh campuran seragam dari matriks polimer dan garam lithium. Dibandingkan dengan elektrolit padat anorganik, elektrolit padat polimer memiliki keunggulan kelembutan yang baik, viskositas tinggi, biaya rendah, dan pemrosesan yang mudah.
Gugus polar dalam elektrolit polimer, seperti C = O, C = N, -O -, satu S -, dll., dapat berkoordinasi dengan ion litium untuk mendorong pelarutan garam litium dan menghasilkan ion yang bergerak bebas. Saat ini, sebagian besar penelitian percaya bahwa transpor ion dalam elektrolit polimer terutama terjadi di daerah amorf di atas Tg, sehingga kemampuan gerak segmen rantainya juga merupakan kunci untuk transpor ion yang efisien.
Keuntungan dari baterai lithium solid-state
Pada baterai lithium solid-state, elektrolit padat menggantikan elektrolit cair organik, untuk mendapatkan beberapa keuntungan potensial. Mempertimbangkan perbedaan yang signifikan antara elektrolit polimer dan elektrolit anorganik dalam konduksi ion, stabilitas termal, sifat mekanik, dll., fokus utama di sini adalah pada baterai lithium solid-state yang berbasis elektrolit anorganik.
Keamanan yang baik
Elektrolit organik yang mudah terbakar benar-benar ditinggalkan dalam baterai lithium solid-state, sehingga dapat menghilangkan kebocoran elektrolit dan kelebihan muatan atau kelebihan muatan pada penguraian elektrolit, gasifikasi, pembakaran, dan bahaya keselamatan lainnya. Suhu dekomposisi termal yang tinggi dari elektrolit padat dapat menghilangkan risiko deformasi atau dekomposisi membran polimer jika terjadi penyalahgunaan termal.
Selain itu, elektrolit padat memiliki modulus Young yang tinggi, terutama elektrolit padat anorganik, yang dapat mengurangi risiko korsleting internal disebabkan oleh pertumbuhan dendrit litium, sedangkan elektrolit padat memiliki stabilitas termal yang baik dan reaktivitas yang rendah terhadap elektroda positif dan negatif, serta tidak mudah menghasilkan reaksi berantai, yang dapat mengurangi risiko pelarian termal. Oleh karena itu, baterai lithium solid-state memiliki karakteristik keamanan yang tinggi.
Kepadatan energi yang tinggi
Keamanan elektrolit padat yang tinggi memungkinkan penerapan anoda logam lithium berenergi spesifik tinggi dalam kondisi padat baterai. Kondisi padat baterai dapat mewujudkan penumpukan bipolar karena non-fluiditas elektrolit solid-state, yang menyederhanakan produksi baterai proses dan mengurangi proporsi komponen yang tidak aktif secara elektrokimia seperti kemasan luar.
Selain itu, baterai solid-state dapat beroperasi dalam rentang suhu yang luas, sehingga menyederhanakan sistem kontrol suhu. Katoda logam lithium berkapasitas tinggi dan struktur baterai yang ringkas bersama-sama memberikan baterai lithium solid-state keuntungan potensial dalam hal kepadatan energi.
Kepadatan daya tinggi
Konsentrasi ion litium (1-2 mol dm-3) dan angka migrasi ion dalam elektrolit organik cair rendah (sekitar 0,4-0,5), dan laju migrasi anion dan kation yang tidak mencukupi menyebabkan gradien konsentrasi ion ketika pengisian dan pengosongan dalam kondisi kerapatan arus yang tinggi, sehingga tidak dapat menyediakan transportasi ion yang kontinu dan cepat.
Sebaliknya, elektrolit padat anorganik umumnya memiliki konsentrasi ion litium yang tinggi (sekitar 35 mol dm-3 pada elektrolit Li10GeP2S12) dan angka migrasi ion yang tinggi (mendekati 1), dan masih dapat memberikan konduksi ion yang kontinu dan cepat ketika beroperasi pada kepadatan arus yang tinggi. Oleh karena itu, baterai lithium solid-state memiliki keunggulan potensial dalam hal daya output.
Kehidupan kerja yang panjang
Pada baterai lithium-ion cair, ketebalan lapisan fase menengah elektrolit padat (SEI) akan terus meningkat hingga tidak memungkinkan untuk melakukan terowongan elektron dan penetrasi pelarut, dan proses ini akan terus mengonsumsi elemen lithium dan elektrolit, dan akhirnya menyebabkan hilangnya lithium dan pengeringan elektrolit.
Dalam baterai lithium solid-state, lapisan SEI dengan cepat terbentuk antara bahan elektroda negatif dan elektrolit padat. Meskipun pembentukan SEI dapat menghambat pengangkutan muatan antar muka, namun isolasi elektroniknya yang baik dapat mencegah kerusakan elektrolit secara terus menerus, sehingga membantu meningkatkan masa pakai baterai.
Kisaran suhu pengoperasian yang luas
Ketika suhu pengoperasian baterai turun, viskositas elektrolit cair meningkat, atau bahkan membeku, sehingga mengakibatkan penurunan konduktivitas ion litium secara cepat. Untuk elektrolit padat, nilai konduktivitas ion litium menurun secara linear dengan penurunan suhu. Selain itu, elektrolit padat memiliki stabilitas termal yang baik, dan tidak akan ada fenomena seperti gasifikasi elektrolit atau kontraksi/peleburan diafragma dalam kondisi operasi suhu tinggi. Oleh karena itu, baterai lithium solid-state dapat beroperasi dalam rentang suhu yang luas.
Kerugian dari baterai lithium solid-state
Konduktivitas ionik ujung material rendah
Pada baterai solid state, kontak antarmuka antara elektroda dan elektrolit berubah dari kontak padat-cair menjadi kontak padat-padat, dan karena fase padat tidak dapat dibasahi, maka area kontak menjadi kecil dan resistansi antarmuka menjadi lebih tinggi.
Pada saat yang sama, sejumlah besar batas butir ada dalam elektrolit padat, dan resistansi batas butir seringkali lebih tinggi daripada resistansi material, yang tidak kondusif untuk transmisi ion litium antara elektroda positif dan negatif.
Biaya tinggi
Biaya baterai solid-state lebih tinggi daripada baterai cair, terutama tercermin pada elektrolit solid-state dan elektroda positif dan negatif.
Elektrolit padat saat ini sulit untuk diencerkan. Sebagian bahan baku logam langka yang digunakan relatif mahal. Sebagai contoh, elektrolit oksida mengandung zirkonium, elektrolit sulfida mengandung germanium, dan bahan elektroda positif dan negatif yang sangat aktif yang digunakan dalam superposisi densitas energi tinggi belum matang.
Harga sabuk komposit lithium tembaga adalah 10.000 yuan / kg, sehingga solid state juga mengedepankan persyaratan yang lebih ketat pada proses produksi, biaya, dan kontrol kualitas.
Kesimpulan
Singkatnya, baterai solid-state, dengan keunggulan kinerja yang signifikan, telah menjadi arah pengembangan kinerja baterai teknologi di masa depan. Terlepas dari tantangan teknis dan masalah ekonomi, dengan percepatan penelitian dan pengembangan global serta pengoptimalan sistem material baru yang berkelanjutan, baterai solid-state diharapkan dapat mencapai aplikasi komersial dalam waktu dekat, membawa perubahan revolusioner ke banyak bidang.
Tess
Hai, saya adalah seorang penulis senior di industri penukaran baterai kendaraan roda dua dan roda tiga, dengan pengalaman menulis selama bertahun-tahun, yang berkomitmen untuk memberikan pengetahuan, layanan, dan solusi penukaran baterai yang lengkap untuk berbagai industri.
Kondisi solid baterai - ikhtisar dan panduan utama
Dengan pesatnya perkembangan teknologi energi baru, baterai solid state, sebagai jenis perangkat penyimpanan energi baru dengan potensi besar, secara bertahap beralih dari laboratorium ke industrialisasi. Baterai ini telah menarik perhatian dunia karena kepadatan energinya yang tinggi, kinerja keselamatan yang unggul, dan masa pakai yang lama.
Artikel ini akan memberikan panduan komprehensif mengenai gambaran umum, prinsip, keuntungan dan kerugian dari keadaan padat baterai.
Apa yang dimaksud dengan kondisi padat baterai?
Baterai solid state adalah jenis baterai yang menggunakan elektroda padat dan elektrolit padat. Bahan elektroda negatif baterai solid state dapat berupa elektroda negatif komposit silikon nano dan grafit, dan bahan katoda dapat berupa litium manganat, bahan berbasis litium manganat yang kaya litium, atau bahan katoda non-litium. Elektrolitnya adalah elektrolit padat dengan kepadatan energi 300 hingga 450 watt-jam/kg.
Baterai solid state menggunakan elektrolit padat untuk menggantikan elektrolit dan pemisah baterai lithiumyang lebih aman, memiliki kepadatan energi yang lebih tinggi dan kinerja bersepeda yang lebih kuat, dan telah menjadi arah penelitian dan pengembangan utama baterai daya generasi berikutnya.
Berdasarkan bahan elektrolit, keadaan padat baterai dapat dibagi menjadi tiga elektrolit polimer, oksida, dan sulfida. Menurut berbagai jenis elektroda negatif, baterai lithium solid-state dapat dibagi menjadi baterai lithium ion solid-state dan baterai logam lithium solid-state.
Mekanisme konduksi ion dari kondisi padat baterai
Elektrolit padat umumnya dibagi menjadi elektrolit padat anorganik dan elektrolit padat berbasis polimer. Migrasi ion dalam bahan kristal elektrolit padat anorganik biasanya mengikuti rumus Arrhenius, yang bergantung pada konsentrasi dan distribusi cacat dalam struktur kristal. Mekanisme difusi ion berdasarkan cacat titik Schottky dan Frenkel meliputi difusi kekosongan sederhana dan mekanisme bivakensi yang relatif kompleks, mekanisme celah, dan mekanisme pertukaran celah-perpindahan.
Elektrolit polimer padat umumnya merupakan larutan padat yang dibentuk oleh campuran seragam dari matriks polimer dan garam lithium. Dibandingkan dengan elektrolit padat anorganik, elektrolit padat polimer memiliki keunggulan kelembutan yang baik, viskositas tinggi, biaya rendah, dan pemrosesan yang mudah.
Gugus polar dalam elektrolit polimer, seperti C = O, C = N, -O -, satu S -, dll., dapat berkoordinasi dengan ion litium untuk mendorong pelarutan garam litium dan menghasilkan ion yang bergerak bebas. Saat ini, sebagian besar penelitian percaya bahwa transpor ion dalam elektrolit polimer terutama terjadi di daerah amorf di atas Tg, sehingga kemampuan gerak segmen rantainya juga merupakan kunci untuk transpor ion yang efisien.
Keuntungan dari baterai lithium solid-state
Keamanan yang baik
Elektrolit organik yang mudah terbakar benar-benar ditinggalkan dalam baterai lithium solid-state, sehingga dapat menghilangkan kebocoran elektrolit dan kelebihan muatan atau kelebihan muatan pada penguraian elektrolit, gasifikasi, pembakaran, dan bahaya keselamatan lainnya. Suhu dekomposisi termal yang tinggi dari elektrolit padat dapat menghilangkan risiko deformasi atau dekomposisi membran polimer jika terjadi penyalahgunaan termal.
Selain itu, elektrolit padat memiliki modulus Young yang tinggi, terutama elektrolit padat anorganik, yang dapat mengurangi risiko korsleting internal disebabkan oleh pertumbuhan dendrit litium, sedangkan elektrolit padat memiliki stabilitas termal yang baik dan reaktivitas yang rendah terhadap elektroda positif dan negatif, serta tidak mudah menghasilkan reaksi berantai, yang dapat mengurangi risiko pelarian termal. Oleh karena itu, baterai lithium solid-state memiliki karakteristik keamanan yang tinggi.
Kepadatan energi yang tinggi
Keamanan elektrolit padat yang tinggi memungkinkan penerapan anoda logam lithium berenergi spesifik tinggi dalam kondisi padat baterai. Kondisi padat baterai dapat mewujudkan penumpukan bipolar karena non-fluiditas elektrolit solid-state, yang menyederhanakan produksi baterai proses dan mengurangi proporsi komponen yang tidak aktif secara elektrokimia seperti kemasan luar.
Selain itu, baterai solid-state dapat beroperasi dalam rentang suhu yang luas, sehingga menyederhanakan sistem kontrol suhu. Katoda logam lithium berkapasitas tinggi dan struktur baterai yang ringkas bersama-sama memberikan baterai lithium solid-state keuntungan potensial dalam hal kepadatan energi.
Kepadatan daya tinggi
Konsentrasi ion litium (1-2 mol dm-3) dan angka migrasi ion dalam elektrolit organik cair rendah (sekitar 0,4-0,5), dan laju migrasi anion dan kation yang tidak mencukupi menyebabkan gradien konsentrasi ion ketika pengisian dan pengosongan dalam kondisi kerapatan arus yang tinggi, sehingga tidak dapat menyediakan transportasi ion yang kontinu dan cepat.
Sebaliknya, elektrolit padat anorganik umumnya memiliki konsentrasi ion litium yang tinggi (sekitar 35 mol dm-3 pada elektrolit Li10GeP2S12) dan angka migrasi ion yang tinggi (mendekati 1), dan masih dapat memberikan konduksi ion yang kontinu dan cepat ketika beroperasi pada kepadatan arus yang tinggi. Oleh karena itu, baterai lithium solid-state memiliki keunggulan potensial dalam hal daya output.
Kehidupan kerja yang panjang
Kisaran suhu pengoperasian yang luas
Kerugian dari baterai lithium solid-state
Konduktivitas ionik ujung material rendah
Biaya tinggi
Biaya baterai solid-state lebih tinggi daripada baterai cair, terutama tercermin pada elektrolit solid-state dan elektroda positif dan negatif.
Elektrolit padat saat ini sulit untuk diencerkan. Sebagian bahan baku logam langka yang digunakan relatif mahal. Sebagai contoh, elektrolit oksida mengandung zirkonium, elektrolit sulfida mengandung germanium, dan bahan elektroda positif dan negatif yang sangat aktif yang digunakan dalam superposisi densitas energi tinggi belum matang.
Harga sabuk komposit lithium tembaga adalah 10.000 yuan / kg, sehingga solid state juga mengedepankan persyaratan yang lebih ketat pada proses produksi, biaya, dan kontrol kualitas.
Kesimpulan
Singkatnya, baterai solid-state, dengan keunggulan kinerja yang signifikan, telah menjadi arah pengembangan kinerja baterai teknologi di masa depan. Terlepas dari tantangan teknis dan masalah ekonomi, dengan percepatan penelitian dan pengembangan global serta pengoptimalan sistem material baru yang berkelanjutan, baterai solid-state diharapkan dapat mencapai aplikasi komersial dalam waktu dekat, membawa perubahan revolusioner ke banyak bidang.