새로운 에너지 기술의 급속한 발전과 함께 잠재력이 큰 새로운 유형의 에너지 저장 장치인 배터리 고체 상태는 실험실에서 산업화로 점차 이동하고 있습니다. 높은 에너지 밀도, 우수한 안전 성능, 긴 사이클 수명으로 전 세계의 주목을 받고 있습니다.
이 문서에서는 다음과 같은 개요, 원칙, 장점 및 단점에 대한 포괄적인 가이드를 제공합니다. 배터리 솔리드 스테이트.
목차
솔리드 스테이트 배터리란 무엇인가요?
전고체 배터리는 고체 전극과 고체 전해질을 사용하는 배터리 유형입니다. 전고체 배터리의 음극 재료는 나노 실리콘과 흑연의 복합 음극일 수 있으며, 전고체 배터리의 음극은 음극 재료 리튬 망간산염, 리튬이 풍부한 망간산염 기반 물질 또는 비리튬 음극 물질일 수 있습니다. 전해질은 300~450와트시/kg의 에너지 밀도를 가진 고체 전해질입니다.
배터리 고체 상태는 고체 전해질을 사용하여 전해질을 대체하고 리튬 배터리 분리기보다 안전하고 에너지 밀도가 높으며 사이클 성능이 더 강한 차세대 전력 배터리의 주요 연구 개발 방향이 되었습니다.
전해질 재료에 따라 배터리 고체 상태는 폴리머, 산화물, 황화물 세 가지 전해질로 나눌 수 있습니다. 음극의 종류에 따라 전고체 리튬 배터리는 전고체 리튬 이온 배터리와 전고체 리튬 금속 배터리로 나눌 수 있습니다.
배터리 고체 상태의 이온 전도 메커니즘
고체 전해질은 일반적으로 무기 고체 전해질과 고분자 기반 고체 전해질로 나뉩니다. 무기 고체 전해질의 결정 물질에서 이온 이동은 일반적으로 결정 구조의 결함 농도와 분포에 따라 달라지는 아레니우스 공식을 따릅니다. 쇼트키 및 프렌켈 점 결함에 기반한 이온 확산 메커니즘에는 단순한 공석 확산과 상대적으로 복잡한 비바컨시 메커니즘, 갭 메커니즘 및 갭-변위 교환 메커니즘이 포함됩니다.
고체 고분자 전해질은 일반적으로 고분자 매트릭스와 리튬 염의 균일한 혼합물에 의해 형성된 고체 용액입니다. 무기 고체 전해질에 비해 고분자 고체 전해질은 부드러움이 좋고 점도가 높으며 비용이 저렴하고 가공이 쉽다는 장점이 있습니다.
고분자 전해질의 극성 그룹(예: C = O, C = N, -O -, 하나의 S - 등)은 리튬 이온과 협력하여 리튬 염의 용해를 촉진하고 자유롭게 움직이는 이온을 생성할 수 있습니다. 현재 대부분의 연구에 따르면 고분자 전해질의 이온 수송은 주로 Tg 이상의 비정질 영역에서 발생하므로 사슬 세그먼트의 운동 능력도 효율적인 이온 수송의 핵심입니다.
전고체 리튬 배터리의 장점
고체 리튬 배터리에서 고체 전해질은 유기 액체 전해질을 대체하여 몇 가지 잠재적 인 이점을 얻습니다. 이온 전도, 열 안정성, 기계적 특성 등에서 고분자 전해질과 무기 전해질 간의 중요한 차이를 고려할 때 여기서는 무기 전해질을 기반으로 하는 고체 리튬 배터리에 중점을 둡니다.
우수한 안전성
가연성 유기 전해질은 고체 리튬 배터리에서 완전히 폐기되므로 전해질 누출 및 전해질 분해, 가스화, 연소 및 기타 안전 위험의 과충전 또는 과방전을 제거할 수 있습니다. 고체 전해질의 높은 열 분해 온도는 열 남용 시 폴리머 멤브레인의 변형 또는 분해 위험을 제거할 수 있습니다.
또한 고체 전해질은 높은 영 계수, 특히 무기 고체 전해질을 가지고있어 다음과 같은 위험을 줄일 수 있습니다. 내부 단락 회로 리튬 수상 돌기의 성장으로 인해 발생하는 반면 고체 전해질은 열 안정성이 우수하고 양극 및 음극에 대한 반응성이 낮으며 연쇄 반응을 일으키기 쉽지 않아 열 폭주의 위험을 줄일 수 있습니다. 따라서 전고체 리튬 배터리는 높은 안전 특성을 가지고 있습니다.
높은 에너지 밀도
고체 전해질의 높은 안전성은 배터리 고체 상태의 고비 에너지 리튬 금속 음극 적용을 가능하게 합니다. 배터리 고체 상태는 고체 전해질의 비유동성으로 인해 양극 스태킹을 실현할 수 있으므로 배터리 생산 공정을 통해 외부 포장재와 같은 비전기화학 활성 성분의 비율을 줄였습니다.
또한 전고체 배터리는 넓은 온도 범위에서 작동할 수 있어 온도 제어 시스템을 간소화할 수 있습니다. 고용량 리튬 금속 음극과 컴팩트한 배터리 구조는 에너지 밀도 측면에서 전고체 리튬 배터리의 잠재적 이점을 제공합니다.
높은 전력 밀도
액체 유기 전해질의 리튬 이온 농도(1-2 몰 dm-3)와 이온 이동 수가 낮고(약 0.4-0.5), 음이온과 양이온의 이동 속도가 충분하지 않아 높은 전류 밀도 조건에서 충전 및 방전 시 이온 농도 구배가 발생하여 지속적이고 빠른 이온 수송을 제공하지 못합니다.
반면, 무기 고체 전해질은 일반적으로 리튬 이온 농도가 높고(Li10GeP2S12 전해질의 경우 약 35mol dm-3) 이온 이동 수(1에 근접)가 높으며 높은 전류 밀도에서 작동할 때에도 지속적이고 빠른 이온 전도를 제공할 수 있습니다. 따라서 전고체 리튬 배터리는 출력 전력 측면에서 잠재적인 이점이 있습니다.
긴 업무 수명
액체 리튬 이온 배터리에서는 전자 터널링과 용매 침투가 불가능할 때까지 고체 전해질 중간상(SEI) 층의 두께가 계속 증가하며, 이 과정에서 리튬 원소와 전해질이 계속 소모되어 결국 리튬 손실과 전해질 건조로 이어지게 됩니다.
전고체 리튬 배터리에서는 음극재와 고체 전해질 사이에 SEI 층이 빠르게 형성됩니다. SEI의 형성은 계면 전하 이동을 방해할 수 있지만, 우수한 전자 절연성은 전해질의 지속적인 파괴를 방지하여 배터리 수명을 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다.
넓은 작동 온도 범위
배터리의 작동 온도가 떨어지면 액체 전해질의 점도가 증가하거나 심지어 고체화되어 리튬 이온 전도도가 급격히 감소합니다. 고체 전해질의 경우 리튬 이온 전도도 값은 온도가 낮아짐에 따라 선형적으로 감소합니다. 또한 고체 전해질은 열 안정성이 우수하여 고온 작동 조건에서 전해질 가스화 또는 다이어프램 수축/용융과 같은 현상이 발생하지 않습니다. 따라서 전고체 리튬 배터리는 넓은 온도 범위에서 작동할 수 있습니다.
솔리드 스테이트 리튬 배터리의 단점
재료 끝단의 이온 전도도가 낮습니다.
전고체 배터리에서는 전극과 전해질 사이의 계면 접촉이 고체-액체 접촉에서 고체-고체 접촉으로 바뀌고, 고상은 비습윤성이기 때문에 접촉 면적이 작고 계면 저항이 높습니다.
동시에 고체 전해질에는 많은 수의 입자 경계가 존재하며 입자 경계 저항은 종종 재료 저항보다 높기 때문에 양극과 음극 사이의 리튬 이온 전달에 도움이되지 않습니다.
높은 비용
고체 배터리의 비용은 액체 배터리보다 높으며, 이는 주로 고체 전해질과 양극 및 음극에 반영됩니다.
고체 전해질은 현재 얇게 만들기가 어렵습니다. 사용되는 희귀 금속 원료 중 일부는 가격이 상대적으로 높습니다. 예를 들어 산화물 전해질에는 지르코늄이 포함되어 있고 황화물 전해질에는 게르마늄이 포함되어 있으며 고 에너지 밀도의 중첩에 사용되는 고 활성 양극 및 음극 재료는 성숙하지 않습니다.
구리 리튬 복합 벨트 가격은 10,000 위안 / kg이므로 고체 상태는 생산 공정, 비용 및 품질 관리에 대해 더 엄격한 요구 사항을 제시합니다.
결론
요약하면, 상당한 성능 이점을 가진 솔리드 스테이트 배터리는 고체 배터리의 개발 방향이되었습니다. 배터리 성능 미래의 기술. 기술적 도전과 경제적 문제에도 불구하고 전 세계적인 연구 개발의 가속화와 신소재 시스템의 지속적인 최적화로 전고체 배터리는 가까운 미래에 상용화를 달성하여 많은 분야에 혁신적인 변화를 가져올 것으로 예상됩니다.
Tess
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배터리 솔리드 스테이트 - 최종 개요 및 가이드
새로운 에너지 기술의 급속한 발전과 함께 잠재력이 큰 새로운 유형의 에너지 저장 장치인 배터리 고체 상태는 실험실에서 산업화로 점차 이동하고 있습니다. 높은 에너지 밀도, 우수한 안전 성능, 긴 사이클 수명으로 전 세계의 주목을 받고 있습니다.
이 문서에서는 다음과 같은 개요, 원칙, 장점 및 단점에 대한 포괄적인 가이드를 제공합니다. 배터리 솔리드 스테이트.
솔리드 스테이트 배터리란 무엇인가요?
전고체 배터리는 고체 전극과 고체 전해질을 사용하는 배터리 유형입니다. 전고체 배터리의 음극 재료는 나노 실리콘과 흑연의 복합 음극일 수 있으며, 전고체 배터리의 음극은 음극 재료 리튬 망간산염, 리튬이 풍부한 망간산염 기반 물질 또는 비리튬 음극 물질일 수 있습니다. 전해질은 300~450와트시/kg의 에너지 밀도를 가진 고체 전해질입니다.
배터리 고체 상태는 고체 전해질을 사용하여 전해질을 대체하고 리튬 배터리 분리기보다 안전하고 에너지 밀도가 높으며 사이클 성능이 더 강한 차세대 전력 배터리의 주요 연구 개발 방향이 되었습니다.
전해질 재료에 따라 배터리 고체 상태는 폴리머, 산화물, 황화물 세 가지 전해질로 나눌 수 있습니다. 음극의 종류에 따라 전고체 리튬 배터리는 전고체 리튬 이온 배터리와 전고체 리튬 금속 배터리로 나눌 수 있습니다.
배터리 고체 상태의 이온 전도 메커니즘
고체 전해질은 일반적으로 무기 고체 전해질과 고분자 기반 고체 전해질로 나뉩니다. 무기 고체 전해질의 결정 물질에서 이온 이동은 일반적으로 결정 구조의 결함 농도와 분포에 따라 달라지는 아레니우스 공식을 따릅니다. 쇼트키 및 프렌켈 점 결함에 기반한 이온 확산 메커니즘에는 단순한 공석 확산과 상대적으로 복잡한 비바컨시 메커니즘, 갭 메커니즘 및 갭-변위 교환 메커니즘이 포함됩니다.
고체 고분자 전해질은 일반적으로 고분자 매트릭스와 리튬 염의 균일한 혼합물에 의해 형성된 고체 용액입니다. 무기 고체 전해질에 비해 고분자 고체 전해질은 부드러움이 좋고 점도가 높으며 비용이 저렴하고 가공이 쉽다는 장점이 있습니다.
고분자 전해질의 극성 그룹(예: C = O, C = N, -O -, 하나의 S - 등)은 리튬 이온과 협력하여 리튬 염의 용해를 촉진하고 자유롭게 움직이는 이온을 생성할 수 있습니다. 현재 대부분의 연구에 따르면 고분자 전해질의 이온 수송은 주로 Tg 이상의 비정질 영역에서 발생하므로 사슬 세그먼트의 운동 능력도 효율적인 이온 수송의 핵심입니다.
전고체 리튬 배터리의 장점
우수한 안전성
가연성 유기 전해질은 고체 리튬 배터리에서 완전히 폐기되므로 전해질 누출 및 전해질 분해, 가스화, 연소 및 기타 안전 위험의 과충전 또는 과방전을 제거할 수 있습니다. 고체 전해질의 높은 열 분해 온도는 열 남용 시 폴리머 멤브레인의 변형 또는 분해 위험을 제거할 수 있습니다.
또한 고체 전해질은 높은 영 계수, 특히 무기 고체 전해질을 가지고있어 다음과 같은 위험을 줄일 수 있습니다. 내부 단락 회로 리튬 수상 돌기의 성장으로 인해 발생하는 반면 고체 전해질은 열 안정성이 우수하고 양극 및 음극에 대한 반응성이 낮으며 연쇄 반응을 일으키기 쉽지 않아 열 폭주의 위험을 줄일 수 있습니다. 따라서 전고체 리튬 배터리는 높은 안전 특성을 가지고 있습니다.
높은 에너지 밀도
고체 전해질의 높은 안전성은 배터리 고체 상태의 고비 에너지 리튬 금속 음극 적용을 가능하게 합니다. 배터리 고체 상태는 고체 전해질의 비유동성으로 인해 양극 스태킹을 실현할 수 있으므로 배터리 생산 공정을 통해 외부 포장재와 같은 비전기화학 활성 성분의 비율을 줄였습니다.
또한 전고체 배터리는 넓은 온도 범위에서 작동할 수 있어 온도 제어 시스템을 간소화할 수 있습니다. 고용량 리튬 금속 음극과 컴팩트한 배터리 구조는 에너지 밀도 측면에서 전고체 리튬 배터리의 잠재적 이점을 제공합니다.
높은 전력 밀도
액체 유기 전해질의 리튬 이온 농도(1-2 몰 dm-3)와 이온 이동 수가 낮고(약 0.4-0.5), 음이온과 양이온의 이동 속도가 충분하지 않아 높은 전류 밀도 조건에서 충전 및 방전 시 이온 농도 구배가 발생하여 지속적이고 빠른 이온 수송을 제공하지 못합니다.
반면, 무기 고체 전해질은 일반적으로 리튬 이온 농도가 높고(Li10GeP2S12 전해질의 경우 약 35mol dm-3) 이온 이동 수(1에 근접)가 높으며 높은 전류 밀도에서 작동할 때에도 지속적이고 빠른 이온 전도를 제공할 수 있습니다. 따라서 전고체 리튬 배터리는 출력 전력 측면에서 잠재적인 이점이 있습니다.
긴 업무 수명
넓은 작동 온도 범위
솔리드 스테이트 리튬 배터리의 단점
재료 끝단의 이온 전도도가 낮습니다.
높은 비용
고체 배터리의 비용은 액체 배터리보다 높으며, 이는 주로 고체 전해질과 양극 및 음극에 반영됩니다.
고체 전해질은 현재 얇게 만들기가 어렵습니다. 사용되는 희귀 금속 원료 중 일부는 가격이 상대적으로 높습니다. 예를 들어 산화물 전해질에는 지르코늄이 포함되어 있고 황화물 전해질에는 게르마늄이 포함되어 있으며 고 에너지 밀도의 중첩에 사용되는 고 활성 양극 및 음극 재료는 성숙하지 않습니다.
구리 리튬 복합 벨트 가격은 10,000 위안 / kg이므로 고체 상태는 생산 공정, 비용 및 품질 관리에 대해 더 엄격한 요구 사항을 제시합니다.
결론
요약하면, 상당한 성능 이점을 가진 솔리드 스테이트 배터리는 고체 배터리의 개발 방향이되었습니다. 배터리 성능 미래의 기술. 기술적 도전과 경제적 문제에도 불구하고 전 세계적인 연구 개발의 가속화와 신소재 시스템의 지속적인 최적화로 전고체 배터리는 가까운 미래에 상용화를 달성하여 많은 분야에 혁신적인 변화를 가져올 것으로 예상됩니다.