Bateria de estado sólido - a melhor visão geral e guia
Com o rápido desenvolvimento de novas tecnologias energéticas, as baterias de estado sólido, como um novo tipo de dispositivo de armazenamento de energia com grande potencial, estão a passar gradualmente do laboratório para a industrialização. Tem atraído a atenção mundial pela sua elevada densidade energética, desempenho de segurança superior e ciclo de vida longo.
O artigo fornecerá um guia completo sobre a visão geral, os princípios, as vantagens e as desvantagens da bateria de estado sólido.
Índice
O que é uma bateria de estado sólido?
Uma bateria de estado sólido é um tipo de bateria que utiliza um elétrodo sólido e um eletrólito sólido. O material do elétrodo negativo da bateria de estado sólido pode ser um elétrodo negativo composto de nano silício e grafite, e o materiais catódicos podem ser manganato de lítio, materiais à base de manganato ricos em lítio ou materiais catódicos sem lítio. O eletrólito é um eletrólito sólido com uma densidade de energia de 300 a 450 watt-hora/kg.
A bateria de estado sólido utiliza electrólitos sólidos para substituir o eletrólito e separador de baterias de lítioque é mais segura, tem uma maior densidade energética e um melhor desempenho em termos de ciclos, tendo-se tornado a principal direção de investigação e desenvolvimento das baterias eléctricas da próxima geração.
Com base nos materiais electrolíticos, as baterias de estado sólido podem ser divididas em três electrólitos: polímero, óxido e sulfureto. De acordo com os diferentes tipos de eléctrodos negativos, as baterias de lítio de estado sólido podem ser divididas em baterias de iões de lítio de estado sólido e baterias de lítio metálico de estado sólido.
Mecanismo de condução de iões no estado sólido da bateria
O eletrólito sólido divide-se geralmente em eletrólito sólido inorgânico e eletrólito sólido à base de polímeros. A migração de iões em materiais cristalinos de electrólitos sólidos inorgânicos segue normalmente a fórmula de Arrhenius, que depende da concentração e distribuição de defeitos na estrutura cristalina. O mecanismo de difusão iónica baseado nos defeitos pontuais de Schottky e Frenkel inclui a difusão simples de vacância e o mecanismo relativamente complexo de bivacância, o mecanismo de lacuna e o mecanismo de troca de deslocamento de lacuna.
O eletrólito sólido polimérico é geralmente uma solução sólida formada por uma mistura uniforme da matriz polimérica e do sal de lítio. Em comparação com o eletrólito sólido inorgânico, o eletrólito sólido polimérico tem as vantagens de uma boa suavidade, alta viscosidade, baixo custo e fácil processamento.
Os grupos polares no eletrólito polimérico, tais como C = O, C = N, -O -, um S -, etc., podem coordenar-se com iões de lítio para promover a dissolução de sais de lítio e produzir iões em movimento livre. Atualmente, a maioria dos estudos considera que o transporte de iões em electrólitos poliméricos ocorre principalmente na região amorfa acima de Tg, pelo que a capacidade de movimento dos seus segmentos de cadeia é também a chave para um transporte eficiente de iões.
Vantagens das baterias de lítio de estado sólido
Na bateria de lítio de estado sólido, o eletrólito sólido substitui o eletrólito líquido orgânico, de modo a obter algumas vantagens potenciais. Considerando as diferenças significativas entre o eletrólito polimérico e o eletrólito inorgânico na condução de iões, estabilidade térmica, propriedades mecânicas, etc., o foco principal aqui é a bateria de lítio de estado sólido baseada no eletrólito inorgânico.
Boa segurança
O eletrólito orgânico inflamável é completamente abandonado na bateria de lítio de estado sólido, pelo que pode eliminar as fugas de eletrólito e a sobrecarga ou descarga excessiva da decomposição do eletrólito, gaseificação, combustão e outros riscos de segurança. A elevada temperatura de decomposição térmica do eletrólito sólido pode eliminar o risco de deformação ou decomposição da membrana polimérica em caso de abuso térmico.
Além disso, o eletrólito sólido tem um elevado módulo de Young, especialmente o eletrólito sólido inorgânico, o que pode reduzir o risco de curto-circuito interno causada pelo crescimento de dendritos de lítio, enquanto o eletrólito sólido tem boa estabilidade térmica e baixa reatividade com os eléctrodos positivo e negativo, e não é fácil produzir reacções em cadeia, o que pode reduzir o risco de fuga térmica. Por conseguinte, as baterias de lítio totalmente em estado sólido têm caraterísticas de segurança elevadas.
Elevada densidade energética
A elevada segurança dos electrólitos sólidos torna possível a aplicação de ânodos metálicos de lítio de elevada energia específica em baterias de estado sólido. A bateria de estado sólido pode realizar empilhamento bipolar devido à não fluidez do eletrólito de estado sólido, o que simplifica a produção de pilhas e reduz a proporção de componentes não electroquimicamente activos, como as embalagens exteriores.
Além disso, as baterias de estado sólido podem funcionar numa vasta gama de temperaturas, simplificando assim o sistema de controlo da temperatura. O cátodo de lítio metálico de elevada capacidade e a estrutura compacta da bateria conferem às baterias de lítio de estado sólido vantagens potenciais em termos de densidade energética.
Elevada densidade de potência
A concentração de iões de lítio (1-2 mol dm-3) e o número de migração de iões no eletrólito orgânico líquido são baixos (cerca de 0,4-0,5), e a taxa de migração insuficiente de aniões e catiões leva ao gradiente de concentração de iões quando se carrega e descarrega em condições de elevada densidade de corrente, pelo que não é capaz de proporcionar um transporte contínuo e rápido de iões.
Em contrapartida, os electrólitos sólidos inorgânicos têm geralmente uma elevada concentração de iões de lítio (cerca de 35 mol dm-3 no eletrólito Li10GeP2S12) e um elevado número de migração de iões (próximo de 1), podendo ainda proporcionar uma condução contínua e rápida de iões quando funcionam a uma elevada densidade de corrente. Por conseguinte, as baterias de lítio de estado sólido têm vantagens potenciais em termos de potência de saída.
Longa vida útil
Nas baterias de iões de lítio líquidas, a espessura da camada da fase intermédia do eletrólito sólido (SEI) continuará a aumentar até que seja impossível realizar o tunelamento de electrões e a penetração do solvente, e este processo continuará a consumir elementos de lítio e eletrólito, acabando por conduzir à perda de lítio e à secagem do eletrólito.
Numa bateria de lítio de estado sólido, forma-se rapidamente uma camada SEI entre o material do elétrodo negativo e o eletrólito sólido. Embora a formação da SEI possa dificultar o transporte de carga interfacial, o seu bom isolamento eletrónico pode evitar a rutura contínua do eletrólito, ajudando assim a melhorar a vida útil da bateria.
Ampla gama de temperaturas de funcionamento
Quando a temperatura de funcionamento da bateria desce, a viscosidade do eletrólito líquido aumenta, ou mesmo solidifica, resultando numa rápida diminuição da condutividade do ião de lítio. No caso dos electrólitos sólidos, o valor da condutividade do ião de lítio diminui linearmente com a diminuição da temperatura. Além disso, o eletrólito sólido tem uma boa estabilidade térmica e não se verificam fenómenos como a gaseificação do eletrólito ou a contração/derretimento da membrana em condições de funcionamento a alta temperatura. Por conseguinte, as baterias de lítio de estado totalmente sólido podem funcionar numa vasta gama de temperaturas.
As desvantagens das baterias de lítio de estado sólido
A condutividade iónica da extremidade do material é baixa
Nas baterias de estado sólido, a interface de contacto entre o elétrodo e o eletrólito muda de contacto sólido-líquido para contacto sólido-sólido e, como a fase sólida não é molhável, a área de contacto é pequena e a resistência da interface é maior.
Ao mesmo tempo, existe um grande número de limites de grão no eletrólito sólido e a resistência dos limites de grão é frequentemente superior à resistência do material, o que não favorece a transmissão de iões de lítio entre os eléctrodos positivo e negativo.
Custo elevado
O custo das baterias de estado sólido é mais elevado do que o das baterias líquidas, reflectindo-se principalmente nos electrólitos de estado sólido e nos eléctrodos positivos e negativos.
O eletrólito sólido é atualmente difícil de diluir. Algumas das matérias-primas de metais raros utilizadas têm um preço relativamente elevado. Por exemplo, o eletrólito de óxido contém zircónio, o eletrólito de sulfureto contém germânio e os materiais de eléctrodos positivos e negativos altamente activos utilizados na sobreposição de alta densidade energética não estão maduros.
O preço do cinto composto de cobre e lítio é de 10.000 yuan / kg, pelo que o estado sólido também apresenta requisitos mais rigorosos no processo de produção, custo e controlo de qualidade.
Conclusão
Em suma, as baterias de estado sólido, com as suas vantagens significativas em termos de desempenho, tornaram-se a direção do desenvolvimento de baterias de alta desempenho da bateria tecnologia no futuro. Apesar dos desafios técnicos e das questões económicas, com a aceleração da investigação e do desenvolvimento a nível mundial e a otimização contínua de novos sistemas de materiais, espera-se que as baterias de estado sólido atinjam aplicações comerciais num futuro próximo, trazendo mudanças revolucionárias a muitos domínios.
Tess
Olá! Sou um escritor sénior na indústria de troca de baterias de duas e três rodas, com muitos anos de experiência de escrita, empenhado em fornecer os melhores conhecimentos, serviços e um conjunto completo de soluções de troca de baterias para várias indústrias.
Bateria de estado sólido - a melhor visão geral e guia
Com o rápido desenvolvimento de novas tecnologias energéticas, as baterias de estado sólido, como um novo tipo de dispositivo de armazenamento de energia com grande potencial, estão a passar gradualmente do laboratório para a industrialização. Tem atraído a atenção mundial pela sua elevada densidade energética, desempenho de segurança superior e ciclo de vida longo.
O artigo fornecerá um guia completo sobre a visão geral, os princípios, as vantagens e as desvantagens da bateria de estado sólido.
O que é uma bateria de estado sólido?
Uma bateria de estado sólido é um tipo de bateria que utiliza um elétrodo sólido e um eletrólito sólido. O material do elétrodo negativo da bateria de estado sólido pode ser um elétrodo negativo composto de nano silício e grafite, e o materiais catódicos podem ser manganato de lítio, materiais à base de manganato ricos em lítio ou materiais catódicos sem lítio. O eletrólito é um eletrólito sólido com uma densidade de energia de 300 a 450 watt-hora/kg.
A bateria de estado sólido utiliza electrólitos sólidos para substituir o eletrólito e separador de baterias de lítioque é mais segura, tem uma maior densidade energética e um melhor desempenho em termos de ciclos, tendo-se tornado a principal direção de investigação e desenvolvimento das baterias eléctricas da próxima geração.
Com base nos materiais electrolíticos, as baterias de estado sólido podem ser divididas em três electrólitos: polímero, óxido e sulfureto. De acordo com os diferentes tipos de eléctrodos negativos, as baterias de lítio de estado sólido podem ser divididas em baterias de iões de lítio de estado sólido e baterias de lítio metálico de estado sólido.
Mecanismo de condução de iões no estado sólido da bateria
O eletrólito sólido divide-se geralmente em eletrólito sólido inorgânico e eletrólito sólido à base de polímeros. A migração de iões em materiais cristalinos de electrólitos sólidos inorgânicos segue normalmente a fórmula de Arrhenius, que depende da concentração e distribuição de defeitos na estrutura cristalina. O mecanismo de difusão iónica baseado nos defeitos pontuais de Schottky e Frenkel inclui a difusão simples de vacância e o mecanismo relativamente complexo de bivacância, o mecanismo de lacuna e o mecanismo de troca de deslocamento de lacuna.
O eletrólito sólido polimérico é geralmente uma solução sólida formada por uma mistura uniforme da matriz polimérica e do sal de lítio. Em comparação com o eletrólito sólido inorgânico, o eletrólito sólido polimérico tem as vantagens de uma boa suavidade, alta viscosidade, baixo custo e fácil processamento.
Os grupos polares no eletrólito polimérico, tais como C = O, C = N, -O -, um S -, etc., podem coordenar-se com iões de lítio para promover a dissolução de sais de lítio e produzir iões em movimento livre. Atualmente, a maioria dos estudos considera que o transporte de iões em electrólitos poliméricos ocorre principalmente na região amorfa acima de Tg, pelo que a capacidade de movimento dos seus segmentos de cadeia é também a chave para um transporte eficiente de iões.
Vantagens das baterias de lítio de estado sólido
Boa segurança
O eletrólito orgânico inflamável é completamente abandonado na bateria de lítio de estado sólido, pelo que pode eliminar as fugas de eletrólito e a sobrecarga ou descarga excessiva da decomposição do eletrólito, gaseificação, combustão e outros riscos de segurança. A elevada temperatura de decomposição térmica do eletrólito sólido pode eliminar o risco de deformação ou decomposição da membrana polimérica em caso de abuso térmico.
Além disso, o eletrólito sólido tem um elevado módulo de Young, especialmente o eletrólito sólido inorgânico, o que pode reduzir o risco de curto-circuito interno causada pelo crescimento de dendritos de lítio, enquanto o eletrólito sólido tem boa estabilidade térmica e baixa reatividade com os eléctrodos positivo e negativo, e não é fácil produzir reacções em cadeia, o que pode reduzir o risco de fuga térmica. Por conseguinte, as baterias de lítio totalmente em estado sólido têm caraterísticas de segurança elevadas.
Elevada densidade energética
A elevada segurança dos electrólitos sólidos torna possível a aplicação de ânodos metálicos de lítio de elevada energia específica em baterias de estado sólido. A bateria de estado sólido pode realizar empilhamento bipolar devido à não fluidez do eletrólito de estado sólido, o que simplifica a produção de pilhas e reduz a proporção de componentes não electroquimicamente activos, como as embalagens exteriores.
Além disso, as baterias de estado sólido podem funcionar numa vasta gama de temperaturas, simplificando assim o sistema de controlo da temperatura. O cátodo de lítio metálico de elevada capacidade e a estrutura compacta da bateria conferem às baterias de lítio de estado sólido vantagens potenciais em termos de densidade energética.
Elevada densidade de potência
A concentração de iões de lítio (1-2 mol dm-3) e o número de migração de iões no eletrólito orgânico líquido são baixos (cerca de 0,4-0,5), e a taxa de migração insuficiente de aniões e catiões leva ao gradiente de concentração de iões quando se carrega e descarrega em condições de elevada densidade de corrente, pelo que não é capaz de proporcionar um transporte contínuo e rápido de iões.
Em contrapartida, os electrólitos sólidos inorgânicos têm geralmente uma elevada concentração de iões de lítio (cerca de 35 mol dm-3 no eletrólito Li10GeP2S12) e um elevado número de migração de iões (próximo de 1), podendo ainda proporcionar uma condução contínua e rápida de iões quando funcionam a uma elevada densidade de corrente. Por conseguinte, as baterias de lítio de estado sólido têm vantagens potenciais em termos de potência de saída.
Longa vida útil
Ampla gama de temperaturas de funcionamento
As desvantagens das baterias de lítio de estado sólido
A condutividade iónica da extremidade do material é baixa
Custo elevado
O custo das baterias de estado sólido é mais elevado do que o das baterias líquidas, reflectindo-se principalmente nos electrólitos de estado sólido e nos eléctrodos positivos e negativos.
O eletrólito sólido é atualmente difícil de diluir. Algumas das matérias-primas de metais raros utilizadas têm um preço relativamente elevado. Por exemplo, o eletrólito de óxido contém zircónio, o eletrólito de sulfureto contém germânio e os materiais de eléctrodos positivos e negativos altamente activos utilizados na sobreposição de alta densidade energética não estão maduros.
O preço do cinto composto de cobre e lítio é de 10.000 yuan / kg, pelo que o estado sólido também apresenta requisitos mais rigorosos no processo de produção, custo e controlo de qualidade.
Conclusão
Em suma, as baterias de estado sólido, com as suas vantagens significativas em termos de desempenho, tornaram-se a direção do desenvolvimento de baterias de alta desempenho da bateria tecnologia no futuro. Apesar dos desafios técnicos e das questões económicas, com a aceleração da investigação e do desenvolvimento a nível mundial e a otimização contínua de novos sistemas de materiais, espera-se que as baterias de estado sólido atinjam aplicações comerciais num futuro próximo, trazendo mudanças revolucionárias a muitos domínios.