Дослідження індустрії твердотільних акумуляторів

Що таке твердотільний акумулятор?

1. Визначення твердотільного акумулятора

Відповідно до класифікації електроліту, літієві батареї можна розділити на чотири категорії: рідкі, напівтверді, квазітверді і повністю тверді, з яких напівтверді, квазітверді і повністю тверді в сукупності називаються твердотільними батареями. Завдяки різним станам електроліту твердотільні акумулятори відрізняються від рідких літій-іонних акумуляторів за своєю структурою.

2. Розробка літієвої батареї

У міру того, як розвиток Промисловість літієвих батарей З кожним роком основні вимоги до літієвих батарей, такі як питома ємність, первинна ефективність, безпека та тривалість циклу, стають все вищими і вищими в галузі силових батарей та акумуляторів для зберігання енергії. Очікується, що щільність енергії літій-іонних акумуляторів збільшиться до більш ніж 300 Вт-год/кг протягом наступних п'яти років, але важко досягти цільової щільності енергії батареї вище 350 Вт-год/кг, покладаючись на існуючу потрійну систему.

Твердотільний акумулятор має очевидне покращення питомої ємності та безпеки завдяки своїй структурі, катодні матеріали, анодні матеріали та матеріали електроліту.

Порівняння рідинного та твердотільного акумулятора

1. Безпека

Небезпека рідинних акумуляторів в основному пов'язана з рідким електролітом. Згідно з останніми новинами, нещасні випадки, спричинені батареями в електромобілях, - це переважно самозаймання та дефлаграція. А основним тригером самозаймання є тепловий розряд акумуляторної батареї. В перезарядженому, низькотемпературному або високотемпературному середовищі відбувається коротке замикання акумулятора, і за короткий проміжок часу батарея виділяє багато тепла, яке запалює рідкий електроліт всередині акумулятора і, зрештою, призводить до загоряння акумулятора.

Твердотільні акумулятори, з іншого боку, використовують твердий електроліт, більшість з яких є негорючими, вирішуючи проблему горючості електроліту; в той же час, плівка твердого електроліту щільна і непориста, з високою механічною міцністю, ефективно гальмує проблему короткого замикання, викликаного негативним електродом; він також кращий за електроліт з точки зору термічної та електрохімічної стабільності, значно підвищуючи показники безпеки літієвих акумуляторів.

2. Щільність енергії

Щільність енергії акумулятора безпосередньо визначається теоретичною грам-ємністю і електрохімічною різницею потенціалів матеріалів катода і анода. Згідно з останніми досягненнями в області твердотільних акумуляторів, щільність енергії великої циліндричної батареї Tesla 4680 становить 283 Вт-год/кг, тоді як відповідно до структури твердотільного акумулятора CATL, щільність енергії літій-залізо-фосфатного акумулятора 160 Вт-год/кг, потрійного високого нікелю до 250 Вт-год/кг.

А в жовтні 2022 року NASA представило на своєму офіційному веб-сайті поточні дослідження і розробки NASA щодо успішної твердотільної батареї, щільність енергії якої досягла 500 Вт-год/кг, що майже вдвічі вище, ніж у потрійних високонікелевих.

Матеріали катода і анода твердотільного акумулятора можна використовувати з більшою різницею потенціалів, а завдяки перевазі стабільності твердої структури, ємність матеріалів катода і анода може бути збільшена в процесі виробництва, щоб поліпшити загальну щільність енергії акумулятора.

Всі твердотільні батареї можуть використовувати металевий літій як негативний електрод (питома ємність металевого літію майже в 10 разів перевищує питому ємність графітового негативного електрода), що, як очікується, збільшить щільність енергії більш ніж на 50% при тій же системі позитивних електродів, і в той же час поліпшить щільність енергії PACK акумулятора і знизить вартість батареї.

Технологічний маршрут матеріалів для твердотільних електролітів

Основні вимоги, на яких слід зосередитися в процесі створення високоефективного твердотільного електроліту, включають в себе наступні.

① Висока електропровідність.

② Хороша хімічна стабільність, не вступає в реакцію з внутрішніми матеріалами батареї.

③ Високе число міграції іонів літію, число міграції іонів більше 1 - найбільш ідеальний стан.

Механічні властивості і в'язкість, для п'яти рівнів твердих електролітів, як правило, спостерігається більш крихке і крихке явище.

Наразі існує три основні технологічні схеми з використанням твердих електролітів: полімерні, оксидні та сульфідні. Експлуатаційні параметри трьох типів твердих електролітів мають свої переваги та недоліки.

Відповідно до запиту на публічну інформацію, у жовтні 2022 року продукт NASA на основі сульфідного шляху досяг щільності енергії 500 Вт-год/кг. 2018 рік Сучжоу, Китай, оголосив про розробку продукту на основі оксидного шляху, щільність енергії твердотільного акумулятора досягла 400 Вт-год/кг; у грудні 2019 року Sakti3 заявила, що розробила твердотільний акумулятор з щільністю енергії понад 1000 Вт-год/кг.

Інтерфейс твердотільного акумулятора

Інтерфейс твердотільного акумулятора відноситься до:
① Інтерфейс всередині твердого електроліту

② Інтерфейс всередині композитного катодного матеріалу

③ Інтерфейс між твердим електролітом і матеріалом катода

④ Інтерфейс між твердим електролітом і матеріалом негативного електрода

Концепція інтерфейсу індукована в твердотільних акумуляторах головним чином тому, що твердофазні інтерфейси твердих матеріалів не мають змочуваності між собою, що ускладнює встановлення достатнього контакту і формує вищий контактний опір. Крім того, під час циклування відбуваються такі явища, як елементарна взаємодифузія і утворення просторових зарядових шарів, які впливають на продуктивність елемента. У кристалічному електроліті існує велика кількість меж зерен, а високий опір меж зерен не сприяє транспортуванню іонів літію між позитивним і негативним електродами.

Для покращення характеристик різних інтерфейсів (наприклад, провідності, шару просторового заряду тощо) необхідні спеціальні дослідження та розробка структури, процесу підготовки та вибору матеріалу твердотільного акумулятора.

Попит на ринку

Очікується, що світовий попит на твердотільні акумулятори в 2030 році складе близько 500 ГВт-год, а ємність ринку - понад 150 мільярдів, з яких попит на твердотільні силові акумулятори - понад 350 ГВт-год.

Згідно з прогнозом Інституту, очікується, що поставки твердотільних акумуляторів в Китаї зростатимуть високими темпами з 2022 по 2030 рік і можуть перевищити 250 ГВт-год до 2030 року, в той час як з точки зору собівартості, з постійним прогресом технології твердотільних акумуляторів, собівартість твердотільних акумуляторів також продовжить знижуватися, і очікується, що собівартість твердотільного акумулятора в Китаї знизиться з 1,9 юанів/Вт-год у 2022 році до 0,8 юанів/Вт-год у 2030 році.

Собівартість потрійної літієвої батареї у 2022 році становитиме близько 1 юаня/Вт-год, а собівартість літій-залізо-фосфатної батареї - 0,8 юаня/Вт-год.

Наразі рідкі батареї мають більшу перевагу у вартості порівняно з твердотільними. Однак з розвитком технології твердотільних акумуляторів і впровадженням масового виробництва вартість наблизиться до вартості рідких акумуляторів, тоді як переваги високої щільності енергії та високої безпеки будуть підкреслені.