Любий друже,
Якщо у вас є якісь питання або запити, не соромтеся звертатися до мене тут. Ви також можете зв'язатися з нами через:
📞 WhatsApp: +86 18925002618
✉️ Електронна пошта: [email protected]
Будь ласка, залиште свій email ID та номер WhatsApp, і ми зв'яжемося з вами якнайшвидше!
Твердотільні акумулятори - повний огляд та керівництво
Зі стрімким розвитком нових енергетичних технологій твердотільні акумулятори, як новий тип накопичувачів енергії з великим потенціалом, поступово переходять з лабораторії в промисловість. Вони привернули увагу всього світу завдяки своїй високій щільності енергії, чудовим показникам безпеки та тривалому терміну служби.
У статті буде надано вичерпний посібник з огляду, принципів, переваг та недоліків твердотільний акумулятор.
Що таке твердотільний акумулятор?
Твердотільний акумулятор - це тип акумулятора, в якому використовується твердий електрод і твердий електроліт. Матеріал негативного електрода твердотільного акумулятора може бути композитним негативним електродом з нанокремнію і графіту, а катодні матеріали може бути манганат літію, матеріали на основі манганату з високим вмістом літію або нелітієві катодні матеріали. Електроліт - це твердий електроліт з щільністю енергії від 300 до 450 ват-годин/кг.
Твердотільні акумулятори використовують тверді електроліти для заміни електроліту і сепаратор літієвих батарейякий є безпечнішим, має вищу щільність енергії та кращі показники циклічності, і став основним напрямком досліджень і розробок акумуляторів наступного покоління.
Залежно від матеріалу електроліту, твердотільні акумулятори можна розділити на полімерні, оксидні, сульфідні та три електроліти. Відповідно до різних типів негативних електродів, твердотільні літієві батареї можна розділити на повністю твердотільні літій-іонні батареї та повністю твердотільні літій-металічні батареї.
Механізм іонної провідності твердотільних акумуляторів
Тверді електроліти зазвичай поділяють на неорганічні тверді електроліти та тверді електроліти на основі полімерів. Міграція іонів у кристалічних матеріалах неорганічних твердих електролітів зазвичай відбувається за формулою Арреніуса, яка залежить від концентрації та розподілу дефектів у кристалічній структурі. Механізм дифузії іонів, заснований на точкових дефектах Шотткі і Френкеля, включає просту дифузію вакансій і відносно складні механізми дифузії двох вакансій, щілинний механізм і механізм обміну між вакансіями і зміщеннями.
Твердий полімерний електроліт - це, як правило, твердий розчин, утворений однорідною сумішшю полімерної матриці та солі літію. Порівняно з неорганічними твердими електролітами, полімерний твердий електроліт має такі переваги, як хороша м'якість, висока в'язкість, низька вартість і легка обробка.
Полярні групи в полімерному електроліті, такі як C=O, C=N, -O-, один S- тощо, можуть координуватися з іонами літію, сприяючи розчиненню солей літію і створюючи вільно рухомі іони. В даний час більшість досліджень вважають, що транспорт іонів в полімерних електролітах в основному відбувається в аморфній області вище Tg, тому здатність до руху сегментів ланцюга також є ключем до ефективного транспорту іонів.
Переваги твердотільних літієвих батарей
Хороша безпека
У твердотільній літієвій батареї повністю відмовляються від використання легкозаймистого органічного електроліту, що дозволяє уникнути витоку електроліту, а також перезарядження або перерозрядження електроліту, розкладання, газифікації, горіння та інших загроз безпеці. Висока температура термічного розкладання твердого електроліту може усунути ризик деформації або розкладання полімерної мембрани в разі термічного зловживання.
Крім того, твердий електроліт має високий модуль Юнга, особливо неорганічний твердий електроліт, що може знизити ризик внутрішнє коротке замикання викликаний ростом літієвих дендритів, тоді як твердий електроліт має хорошу термічну стабільність і низьку реакційну здатність до позитивних і негативних електродів, і в ньому нелегко викликати ланцюгові реакції, що може знизити ризик теплового втечі. Тому повністю твердотільні літієві батареї мають високі характеристики безпеки.
Висока щільність енергії
Висока безпека твердих електролітів робить можливим застосування літій-металевого анода з високою питомою енергією в твердому стані акумулятора. Твердотільний акумулятор може реалізувати біполярне укладання завдяки неплинності твердотільного електроліту, що спрощує виробництво акумуляторів процес і зменшує частку неелектрохімічно активних компонентів, таких як зовнішня упаковка.
Крім того, твердотільні батареї можуть працювати в широкому діапазоні температур, що спрощує систему контролю температури. Високоємний літій-металічний катод і компактна структура батареї разом дають твердотільним літієвим батареям потенційні переваги з точки зору щільності енергії.
Висока щільність потужності
Концентрація іонів літію (1-2 моль-дм-3) і число міграції іонів в рідкому органічному електроліті низькі (близько 0,4-0,5), а недостатня швидкість міграції аніонів і катіонів призводить до градієнта концентрації іонів при заряджанні і розряджанні в умовах високої щільності струму, тому він не може забезпечити безперервний і швидкий транспорт іонів.
На відміну від них, неорганічні тверді електроліти зазвичай мають високу концентрацію іонів літію (близько 35 моль дм-3 в електроліті Li10GeP2S12) і високе число міграції іонів (близьке до 1), а також можуть забезпечувати безперервну і швидку іонну провідність при роботі з високою щільністю струму. Тому твердотільні літієві батареї мають потенційні переваги з точки зору вихідної потужності.
Тривалий термін служби
Широкий діапазон робочих температур
Недоліки твердотільних літієвих батарей
Іонна провідність кінця матеріалу низька
Висока вартість
Вартість твердотільних батарей вища, ніж у рідинних, що в основному відображається на вартості твердотільних електролітів і позитивних та негативних електродів.
Твердий електроліт наразі важко розріджувати. Деякі з рідкісних металів, що використовуються, мають відносно високу ціну. Наприклад, оксидний електроліт містить цирконій, сульфідний електроліт - германій, а високоактивні матеріали позитивних і негативних електродів, що використовуються в суперпозиції високої щільності енергії, не є зрілими.
Ціна мідно-літієвої композитної стрічки становить 10 000 юанів / кг, тому твердий стан також висуває більш жорсткі вимоги до виробничого процесу, собівартості та контролю якості.
Висновок
Таким чином, твердотільні акумулятори, з їх значними перевагами в продуктивності, стали напрямком розвитку високих технологій. продуктивність акумулятора технології в майбутньому. Незважаючи на технічні труднощі та економічні проблеми, з прискоренням глобальних досліджень і розробок та постійною оптимізацією нових матеріальних систем, очікується, що твердотільні батареї досягнуть комерційного застосування в найближчому майбутньому, що принесе революційні зміни в багатьох галузях.