I den nuvarande vågen av kraftig utveckling av ny energiteknik har fast tillståndsbatteri, som en mycket lovande nästa generations batteriteknologi, väckt omfattande uppmärksamhet från alla samhällsskikt. Eftersom människors krav för uthållighet av elektroniska enheter och körområdet för elektriska fordon fortsätter att öka, och deras betoning på batterisäkerhetsprestanda växer dag för dag, förväntas fast tillståndsbatteri mycket att hantera många smärtpunkter för traditionella flytande litiumjonbatterier när det gäller säkerhet och sortiment. Innan dess storskaliga popularisering och tillämpning kvarstår emellertid en viktig fråga i konsumenternas sinne: är fast tillståndsbatteri säkert och kan tillhandahålla lång räckvidd? För att besvara denna fråga måste vi fördjupa arbetsmekanismen, tekniska egenskaper och aktuell forskning och applikationsstatus för solid-state-batterier.
Arbetsprincip och strukturella egenskaper hos fast tillståndsbatteri
Kärnskillnaden mellan fast tillståndsbatteri och traditionellt flytande litiumjonbatteri ligger i form av elektrolyt. Traditionella flytande litiumjonbatterier använder flytande elektrolyt för att uppnå laddnings- och urladdningsprocessen genom rörelse av litiumjoner mellan de positiva och negativa elektroderna. Däremot använder fast tillståndsbatterier fast elektrolyt, som vanligtvis är tillverkad av keramik-, polymer- eller sulfidmaterial. I fasta tillståndsbatterier avlägsnar litiumjoner också från den positiva elektroden under laddning och interkalat i den negativa elektroden genom den fasta elektrolyten; Under urladdningen rör sig de i motsatt riktning, medan elektroner flyter från den negativa elektroden till den positiva elektroden genom den yttre kretsen, vilket genererar ström för att driva enheten.
Användningen av fast elektrolyt ger fast tillståndsbatterier med unika strukturella egenskaper. Jämfört med vätskelektrolyt, som kräver en separator för att förhindra kortslutning mellan de positiva och negativa elektroderna, har fast elektrolyt själv de dubbla funktionerna för jonledning och elektrodisolering, vilket gör batteriets struktur mer kompakt. Samtidigt uppvisar fast elektrolyt högre stabilitet och är mindre benägna att förångning och läckage, vilket lägger en grund för förbättrad batterisäkerhetsprestanda.
Säkerhetsprestanda för fast tillståndsbatteri
Traditionella flytande litiumjonbatterier utgör en risk för termisk språng under högtemperaturförhållanden. När batteritemperaturen överskrider en viss tröskel, såsom 80 grader, kan vätskelektrolyten sönderdelas för att producera brandfarliga gaser, och sidoreaktioner i batteriet intensifieras, vilket leder till en snabb ansamling av värme och i slutändan orsakar batteriet att ta eld eller till och med explodera. Data från den tyska Tüv -testbyrån avslöjar tydligt denna dolda fara.
Solid-state-batterier uppvisar betydande fördelar med termisk stabilitet. På grund av frånvaron av flyktiga och brandfarliga vätskekomponenter i fast elektrolyt är dess termiska stabilitet mycket högre än för flytande elektrolyt. Punkteringstestet som utförs av Japans nya energi- och industriella teknikutveckling (NEDO) är imponerande: när en stålnål punkterar ett fast tillståndsbatteri, stiger batteritemperaturen endast med 2 grader, medan ett traditionellt flytande litium-jonbatteri kommer att ta eld och explodera inom bara 3 sekunder. Detta experimentella resultat visar visuellt den överlägsna säkerheten för fast tillståndsbatterier inför extremt mekaniskt missbruk.
I ett papper med titeln "Är fast tillståndsbatterier säkrare än (flytande) litiumjonbatterier?" Forskare publicerade i Science i april 2022, och diskuterade värmeutsläpps- och temperaturökningsgränserna för flytande litiumjonbatterier, halvfasta batterier med en viss mängd elektrolyt och all-furudstatliga batterier under tre termiska runway-scenarier. Studien fann att i det termiska flyktiga tillståndet orsakat av extern uppvärmning överträffar all-fasta tillstånd batterier halvfasta och flytande litiumjonbatterier. Den höga tätheten av fast elektrolyt i all-fasta tillståndsbatterier kan bilda en effektiv gasbarriär, vilket förhindrar kontakt mellan litium på den negativa elektroden och syre frisatt från den positiva elektroden. I detta hypotetiska scenario skulle det inte finnas någon betydande värmeutsläpp.
Hämning av litium dendrittillväxt
Under laddnings- och urladdningsprocessen för traditionella flytande litiumjonbatterier kan litiumjoner direkt kristallisera på ytan av den negativa elektroden under snabb laddning, och bildar farliga litium-dendriter. Tillväxten av litium -dendriter leder inte bara till förfall för batterikapacitet utan kan också punktera separatorn, vilket orsakar en kortslutning mellan de positiva och negativa elektroderna och utlöser en säkerhetshändelse. Denna dolda fara avslöjades av ingenjörer från Catl.
Solid-state-batterier visar potential för att hämma litium dendrittillväxt. Den speciella strukturen och egenskaperna hos fast elektrolyt kan ge en mer enhetlig väg för litiumjonmigration, vilket minskar möjligheten till litium -dendritbildning. Även om helt eliminering av litium-dendrittillväxt fortfarande utgör utmaningar i praktiska tillämpningar, är förbättringstrenden med solid-state-batterier i detta avseende uppenbar jämfört med flytande litiumjonbatterier.
Potentiella säkerhetsrisker
Trots de många fördelarna med solid-state-batterier när det gäller säkerhet är de inte helt säkra. I vissa extrema fall, såsom när den fasta elektrolyten misslyckas eller litium-dendriter penetrerar den fasta elektrolyten, är det inte överlägset att orsaka en kortslutning. Professor AI Xinping från School of Chemistry and Molecular Sciences vid Wuhan University påpekar att påståendet att all-furudstatliga batterier har både hög energitäthet och god säkerhet innebär faktiskt en konceptuell hand. Eftersom vissa material i fast tillståndsbatterier kan producera giftiga gaser såsom vätesulfid i händelse av en olycka, även om de inte direkt kommer att bränna människor som traditionella batterier, är vätesulfidgas giftig och kan orsaka allvarlig skada på människokroppen.
Potential för fast tillståndsbatteri inom räckvidd
I teorin har fast tillståndsbatterier potentialen att uppnå hög energitäthet, vilket förväntas förbättra enhetens uthållighet avsevärt. Fast elektrolyt tillåter användning av rent metallitium som den negativa elektroden, vilket avsevärt ökar energilagringskapaciteten per enhetsvolym. Experimentella data från Qingdao Institute of Bioenergy and BioProcess Technology of the Chinese Academy of Sciences visar att energitätheten för deras fast tillståndsbatteriprover har överskridit 500Wh\/kg, medan energitätheten för 21700-batteriet som används i Tesla Model 3 är endast 260Wh\/kg.
Genom att ta elfordon som ett exempel har körningsområdet alltid varit ett fokus för konsumenternas uppmärksamhet. Kunpeng-batteriet från Chery, som en representant för fast tillståndsbatterier, planerar att uppnå en energitäthet på 400Wh\/kg 2024 och öka det till 600Wh\/kg 2025. Enligt planen, när den massproducerades 2027, förväntas det rena elektriska körområdet överstiga 1500 km. Om dessa mål uppnås, kommer det att lindra räckviddens ångest för användare av elfordon.
Utmaningar inom det faktiska området
Från laboratoriet till praktiska tillämpningar står emellertid fortfarande massivt statligt batterier inför vissa utmaningar när det gäller räckvidd. För det första är gränssnittsimpedansen mellan fasta elektrolyt och elektroder relativt framträdande, vilket liknar en avgiftsbås på en motorväg, vilket hindrar snabb överföring av litiumjoner och påverkar batteriets laddning och urladdande effektivitet, vilket därmed påverkar intervallet. För det andra, den dödliga bristen på sulfidelektrolyt, som ger mycket toxisk vätesulfid när den utsätts för vatten, ökar inte bara säkerhetsriskerna under batteriproduktion och användning utan också utgör allvarliga utmaningar för batteriets stabilitet och tillförlitlighet. Dessutom leder det låga utbytet av fast elektrolytfilmberedning till höga produktionskostnader i stor skala, vilket begränsar den utbredda tillämpningen av fast tillståndsbatterier och indirekt påverkar processen att demonstrera deras långsiktiga fördelar på marknaden.
Slutsats och synpunkter
Sammanfattningsvis visar batterier med fast tillstånd betydande potential när det gäller säkerhet och räckvidd. När det gäller säkerhet är deras termiska stabilitetsfördelar tydliga, och de kan effektivt hämma litium-dendrittillväxt, vilket gör dem mer säkra och tillförlitliga än traditionella flytande litiumjonbatterier i de flesta fall. Mot bakgrund av extrema situationer som fast elektrolytfel finns det dock fortfarande vissa säkerhetsrisker. När det gäller räckvidd ger den teoretiska fördelen med hög energitäthet möjligheten för lång räckvidd, och vissa experimentella data och företagsplaner visar också lovande utsikter. I praktiska tillämpningar har emellertid problem som gränssnittsimpedans, elektrolytfel och kostnader blivit hinder som hindrar fullt förverkligande av deras långsiktiga fördelar.
Trots att många utmaningar står inför betraktas fortfarande fast tillståndsbatterier som en viktig utvecklingsriktning för nästa generations batteritekniker.