Lityum iyon katı hal bataryası - giriş ve geleceği

Günümüzde elektrikli araçlar giderek otomobil pazarının ana akımı haline gelmiştir. Otomobil tüketicileri, ürün zekası, kilometre menzili ve teknik yeteneklere dikkat etmenin yanı sıra, en çok elektrikli araçların güç bataryası konusunda endişe duyuyor. Sonuçta, güç bataryası elektrikli araçların kalbidir. Bu nedenle büyük üreticiler bataryaların, özellikle de lityum iyon katı hal batarya teknolojisinin araştırılması ve geliştirilmesine çok yatırım yapıyor.

Lityum iyon katı hal batarya pazar durumu

Geçtiğimiz üç yıl içinde, elektrikli araç pazarındaki talebin artmasıyla birlikte, güç lityum pil endüstrisi yukarı yönlü lityum madenciliği şirketleri tarafından domine edilmiştir. Ve lityum cevherinin fiyatı 2020'de 40.000 RMB/tonun altından en yüksek 570.000 RMB/tona kadar keskin bir artış göstererek yeni enerji çağında "beyaz petrol" haline geldi.

Bu yılın başlarında, özellikle Avustralya'da lityum madenciliğinin üretim kapasitesi hızlandı ve pil malzemesi geri dönüşüm endüstrisi fiyat artışları nedeniyle yeni fırsatlar doğurdu ve geri dönüştürülmüş kaynaklar büyük ölçüde orijinal kaynak talebinin yerini aldı.

Aynı zamanda, enerji araçlarındaki yükselişin ardından, alt sektör talebi bir ölçüde durgunlaştı. Talep ve arzın çifte darbesi altında, lityum cevheri de sert bir darbe aldı ve fiyatı sadece üç ay içinde 150.000 RMB/tona düştü.

Lityum cevherinin fiyatının düşmesiyle aynı zamanda, lityum iyon güç pilinin ekonomisi yeniden vurgulanmaktadır. Geçtiğimiz iki yıl içinde küçümsenen lityum iyon katı hal pilleri, pazarın ve teknolojinin çifte faydası altında insanlar tarafından yeniden tanındı.

Lityum iyon katı hal bataryası nedir?

Lityum iyon piller elektrolit formuna göre sınıflandırılırsa, içlerindeki sıvı miktarına göre sıvı piller ve katı hal pilleri olarak ayrılabilir ve katı hal pilleri üç türe ayrılabilir: yarı katı piller, yarı katı piller ve tamamen katı piller.

Sıvı bataryadaki elektrolit sıvıdan oluşurken, yarı katı hal bataryasının elektrolit kütle yüzdesi <10%, yarı katı hal bataryasının elektrolit kütle yüzdesi <5%'dir ve tüm katı hal bataryaları herhangi bir sıvı elektrolit içermez.

Katı hal bataryası ve sıvı batarya arasındaki farklar

Katı hal bataryası ve sıvı batarya aşağıdaki üç yönden farklıdır.

Enerji yoğunluğu

Sıvı bataryalar enerji yoğunluğu darboğazına ulaşmak üzereyken, katı hal bataryaları bunun daha yüksek bir üst sınırına sahiptir.
İstatistiksel verilere göre, lityum iyon pillerin enerji yoğunluğu 1991'den 2015'e kadar üç kat artmış ve GAGR yaklaşık 3% olmuştur. Doğrusal hesaplamalara göre, 2020 ve 2025 yıllarındaki enerji yoğunluğu ancak 300Wh/kg ve 320Wh/kg'a ulaşabilir.

Ancak pratik teknik açıdan bakıldığında, lityum metal anodun aşırı güçlü aktivitesi ve zayıf stabilitesi nedeniyle sıvı elektrolit ile uyumlu olması son derece zordur. Bu nedenle, en düşük elektrokimyasal potansiyelinin ve son derece yüksek kapasitansının avantajları devreye sokulamaz, bu da tüm pilin enerji yoğunluğunun gelişimini doğrudan sınırlar

Buna ek olarak, elektrolitin yüksek voltajlı katotla eşleşmesi zordur. Mevcut ana akım elektrolit voltajı 4,5V'u aşmaz, bu da doğrudan isteğe bağlı katot malzemeleri ve dolayısıyla enerji yoğunluğunun gelişimini sınırlar.

Başka bir deyişle, lityum iyon pillerin enerji yoğunluğundaki büyüme hızı önemli ölçüde yavaşladı ve teorik sınıra yaklaşıyor. Malzemeleri güncellemeden yeni atılımlar yapmak zordur.

Katı elektrolitler bu sorunları iyi bir şekilde çözmektedir. Sıvı elektrolit ile karşılaştırıldığında, katı elektrolit daha kararlı elektrokimyasal performansa sahiptir ve oldukça aktif lityum metal anot ile uyumlu olabilir. Aynı zamanda, katı elektrolit, lityum metal anot uygulaması için gerekli koşulları karşılayan lityum dendritlerin çökelmesini engelleyebilir.

Aynı zamanda, bazı katı hal elektrolitleri, yüksek voltajlı katot malzemelerine uyarlanabilen daha geniş bir voltaj aralığına sahiptir. Lityum metal anot kullanılırsa, teorik olarak, katot lityum içermeyen malzemelerden yapılabilir ve enerji yoğunluğu ve maliyet azaltma alanının büyük ölçüde iyileştirilmesi beklenir. Hacimsel enerji yoğunluğunun 100Wh/L'yi aşması beklenmektedir.

Güvenlik

Sıvı bataryaların güvenlik sorununu çözmesi zorken, katı hal bataryaları temelde sorunların ortaya çıkmasını önler.

Elektrolit, sıvı lityum iyon batarya güvenlik kazalarının en büyük etkenidir. Lityum pillerin termal kaçağı, esas olarak dahili kısa devre veya yüksek çalışma sıcaklığından kaynaklanır, bu da ilk sıcaklık artışına yol açar ve SEI filminin ayrışmasına neden olur. Aynı zamanda, elektrolitin sürekli sıcaklık artışı çeşitli yanıcı gazları ve oksijeni serbest bırakır ve ardından yanar.

Şu anda lityum pil endüstrisi, güvenlik kazalarıyla başa çıkmak için esas olarak pil hücrelerine alev geciktiriciler veya inert gazlar eklemek ve paket yüzeyine delinmeyi önleyici tasarım veya termal bariyerler eklemek gibi termal kaçağı hafifletmeye dayanmaktadır. Bununla birlikte, yüksek riskli elektrolit hala LIB güvenlik sorunlarına neden olan özdür ve LIB'nin gerekli bir malzemesi olduğu için güvenlik sorunu teoride çözülemez.

Bu arada, katı elektrolitlerin kaçak başlangıç sıcaklığı sıvı elektrolitlerinkini (120°C) aşar ve oksit katı elektrolitler 600°C'yi aşan termal kaçak sıcaklıkları ile en güvenli olanlardır ve teorik olarak bataryanın yanması gibi güvenlik sorunlarını ortadan kaldırır.

Süreç optimizasyonu

Sıvı bataryaların süreç optimizasyonu alanı, katı hal bataryalarınkinden çok daha küçüktür.

Şu anda, sıvı pillerin telekomünikasyon üretim süreci temel olarak elektrot hazırlama (esas olarak ıslak yöntem)→sarma→paketleme→sıvı enjeksiyonu→kimyasal oluşum→sıralama→montajı içermektedir. Yüksek hızlı bulamaç karıştırma, kaplama ve sarma / istifleme teknolojileri ve Büyük kapasiteli pil teknolojisi, tek hatlı üretim kapasitesinin sürekli genişlemesini teşvik ederken.

Bununla birlikte, düşük verimli kaplama ve kurutma ve ıslak elektrot hazırlama sürecinde teli durdurma ve kutup parçasını sarma işlemine yerleştirme ihtiyacı nedeniyle, Tesla'nın yükseltilmiş 4680 teknolojisi bile hala karmaşık lazer kaynak işlemlerini içeriyor, bu nedenle pil üretim verimliliğinin iyileştirilmesinde hala büyük bir darboğaz var.

Buna ek olarak, bir CTM'nin hücre-modül-pil paketi-gövde olarak geleneksel montaj süreci çok sayıda bileşen kullanır ve karmaşık bağlantılar ve pil yönetim sistemleri içermesinin yanı sıra toplam kütleyi artırır.

Katı hal pilleri, solvent içermeyen bir üretim teknolojisi olan kuru elektrot teknolojisini kullanabilir. Yöntem, katot ve anot malzemelerini bağlayıcı ile karıştırmak ve ardından perdahlama, püskürtme, ekstrüzyon veya buhar biriktirme yoluyla doğrudan tabaka şeklinde veya ince film şeklinde bir elektrot oluşturmaktır.

Islak elektrot hazırlama ile karşılaştırıldığında, kuru teknolojinin avantajları temel olarak aşağıdaki gibi yansıtılmaktadır:
① Bulamaç karıştırma, kurutma ve zararlı çözücülerin geri kazanımı adımlarını atlayarak malzeme, zaman, atölye ve işçilik gibi üretim maliyetlerinden tasarruf sağlar.
② Performans açısından elektrot daha kalın ve enerji yoğunluğu daha yüksektir.
③ Toksik çözücü olmadan daha çevre dostu.

Buna ek olarak, montaj sürecinde, çok katmanlı bipolar yapıya sahip katı hal pil hücresinin kendisi bir paketleme işlemi olarak kabul edilebilir. Seri bağlı yoğun paketleme, alan kullanım oranını büyük ölçüde artırabilir, daha düşük iç direnç, daha yüksek enerji yoğunluğu ve akım çıkışı sağlayabilir. Sonraki paketleme sürecinde, karmaşık bağlantıya gerek yoktur, bu da verimliliği artırmak ve seri üretimden sonra maliyeti düşürmek için büyük bir alan anlamına gelir.

Katı hal bataryasının optimizasyonu

Katı hal bataryasının optimizasyonu aşağıdaki üç açıdan başlatılabilir.

Elektrolit

Şu anda, katı hal pilleri için elektrolit malzemelerinin seçiminde polimerler, oksitler ve sülfitler dahil olmak üzere üç ana yol bulunmaktadır. Bu üç teknik sistem birbirinden farklıdır ve her birinin kendine özgü avantaj ve dezavantajları vardır.

– Polimer: Polimerin elektrolit olarak avantajı, işlenmesinin kolay olması, mevcut üretim ekipmanı ve sıvı elektrolit süreci ile uyumlu olması ve iyi mekanik özelliklere sahip olmasıdır. Bununla birlikte, iletkenliği çok düşüktür ve normal çalışması için 60°C'ye ısıtılması gerekir ve yüksek voltajlı katot malzemelerine uyarlanamaz.

– Sülfür: Sülfür, polimerin tam tersidir, en yüksek iletkenliğe ve geniş elektrokimyasal stabiliteye sahiptir, bu da onu en potansiyel teknik yol haline getirir. Ancak sülfürün hazırlanma süreci çok karmaşıktır ve hidrojen sülfür son derece zehirli gaz üretmek için havadaki su ve oksijen ile reaksiyona girmesi kolaydır.

– Oksit: Oksit, yukarıdaki her ikisinin de avantajlarına sahiptir. Nispeten iyi iletkenliğe, kararlılığa ve elektrokimyasal performansa sahiptir, bu da onu şu anda en hızlı hareket eden teknoloji haline getirmektedir. Nispeten düşük geliştirme maliyeti ve zorluğu nedeniyle Çinli üreticiler oksit katı elektrolitlere odaklanıyor ve yarı katı hal pillerinde ölçeklendirilmesi bekleniyor.

Uzun vadeli bir perspektiften bakıldığında, sülfit katı elektrolitlerin araştırılması ve geliştirilmesi zor olsa da, mükemmel performansı ve büyük potansiyeli nedeniyle, araştırma ve geliştirmeye sürekli yatırım yapmak için güçlü ve iyi sermayeli pil şirketlerini cezbetmektedir. On yıldan fazla teknolojik birikime sahip birçok endüstri lideri bunu ana teknoloji yolu olarak seçmektedir, bir atılım elde edildiğinde, yüksek teknik engeller oluşturma olasılığı çok yüksektir.

Elektrot malzemesi

Katı hal pilleri mevcut anot sistemine bağlı kalabilir, ancak enerji yoğunluğunu artırmak için çok az şey yapacaktır. Kapasiteyi büyük ölçüde artırmak istiyorsanız, lityum metal anodu daha verimli bir şekilde uygulamanız gerekir.

Lityum metal anot, bataryanın kapasitesiyle doğrudan ilişkili olan yüksek enerji yoğunluğu avantajına sahiptir. Bu nedenle, lityum metal anot uygulama teknolojisine hakim olan şirketin ürün performansı ve maliyetinin ikili avantajlarını elde edebileceğini ve pazarın stratejik yüksekliklerini işgal edebileceğini söyleyebiliriz.

Ancak şu anda lityum metal anodun stabilite sorununu çözmesi gerekiyor ve lityum metal anot seri üretiminin maliyetini düşürmek için büyük bir potansiyel var.

Yarı katı hal bataryası

Tamamen katı hal bataryalarının hala aşılması gereken teknik zorlukları vardır. Örneğin, katı hal elektrolitlerinin iyonik iletkenliği sıvı elektrolitlerinkinden çok daha düşüktür, bu da batarya iç direncinde önemli bir artışa, zayıf batarya döngüsü performansına ve düşük hız performansına yol açar.
Öte yandan, yüksek maliyet de tamamen katı hal pillerin ticarileşmesini kısıtlayan bir faktördür. Şu anda, sıvı lityum pillerin endüstriyel zinciri çok olgunlaşmıştır ve daha iyi performansa sahip lityum piller düşük maliyetle üretilebilirken, tamamen katı hal pillerin endüstriyel zinciri hala yeterince olgunlaşmamıştır. Şu anda, yarı katı pil bir uzlaşma olarak en iyi seçimdir.

Yarı katı hal bataryasının üretim süreci ve ekipmanı mevcut lityum batarya ile oldukça ortaktır, sadece in situ katı hal, karıştırma ve sıvı enjeksiyonu gibi bazı temel süreç bağlantıları mevcut sıvı bataryadan farklıdır. Bununla birlikte, yarı katı hal bataryası yüksek enerji yoğunluğu, küçük boyut, daha yüksek güvenlik ve daha iyi esneklik gibi birçok özelliğe sahiptir. Otomobil üreticileri için bir sonraki ana akım akü teknolojisi rotasının ilk tercihi haline gelmiştir.

Aynı zamanda, yarı katı hal bataryası tamamen katı hale bir geçiş yolu olarak da görülmektedir. Sonuçta, hiçbir yeni teknoloji bir gecede elde edilemez, hepsinin adım adım araştırılması ve geliştirilmesi gerekir.

Katı hal bataryasının küresel gelişim durumu

Sıvı akülerden katı hal akülerine kademeli geçiş, lityum akü teknolojisinin ilerlemesinde önemli bir eğilimdir. Küresel olarak, büyük otomobil şirketleri, batarya şirketleri, yatırım kurumları ve bilimsel araştırma kurumları, katı hal bataryalarının sanayileşmesini hızlandırmak için aktif olarak sermaye, teknoloji ve yeteneklerini kullanmaktadır.

Dünyanın önde gelen otomobil üreticileri ve hükümetleri katı hal akü yarışına giriyor. Küresel bir perspektiften bakıldığında bu yarış kabaca üç kampa ayrılabilir: Çin, Japonya ve Güney Kore, Avrupa ve Amerika Birleşik Devletleri.

Teknoloji yönü açısından, Japonya ve Güney Kore en erken başlayanlar olmuş ve sülfür katı hal elektrolit rotasını seçmişlerdir. Şu anda Japon ve Güney Koreli şirketler dünyanın önde gelen katı hal akü patentlerini elinde bulundurmaktadır.

Güney Kore hükümeti 20 Nisan'da, Güney Kore'nin güç bataryaları alanındaki gücünü korumak amacıyla, katı hal bataryaları da dahil olmak üzere gelişmiş batarya teknolojileri geliştirmek ve 2025 yılında ticari üretime başlamak için hükümet ve önde gelen batarya şirketleri öncülüğünde 2030 yılına kadar ortaklaşa 20 trilyon KRW yatırım yapacağını açıkladı.

Avrupa ve Amerika Birleşik Devletleri'nde, lityum metal anot uygulamalarının geliştirilmesi için çoğunlukla oksit katı elektrolit yolu seçilmiştir. Çin'de ise her üç katı hal elektrolit rotası da belirlenmiştir. Tamamen katı hal bataryaları geliştirirken, Çin aynı zamanda mevcut endüstrilere daha dost olan yarı katı hal bataryalarını da güçlü bir şekilde geliştirmektedir.

Özet

Geleneksel lityum pillerin bir yükseltmesi olarak katı hal pilleri, elektrolitleri ve elektrot malzemelerini değiştirerek daha yüksek enerji yoğunluğu, daha iyi güvenlik, süreç optimizasyonu için daha fazla alan ve daha güçlü esneklik elde ederek yeni nesil lityum pillerin ideal formu haline gelir.

Şimdiye kadar, üç katı elektrolitin kendi avantajları ve dezavantajları vardır ve hiçbiri teoride olduğu kadar iyi değildir. Buna ek olarak, büyük ölçekli üretim eksikliği katı hal pillerinin maliyetini büyük ölçüde artırmıştır.

Ancak zamanın geçmesi ve teknolojik atılımlarla birlikte katı hal pillerinin giderek yaygınlaşacağına ve çeşitli alanlarda geleneksel sıvı lityum pillerin yerini alacağına inanabiliriz.