چرا باتری های تمام جامد یک روند صنعتی هستند؟
امنیت بالا:
مسائل ایمنی باتری های مایع همیشه مورد انتقاد بوده است. الکترولیت در دمای بالا یا ضربه شدید به راحتی قابل اشتعال است. تحت جریان زیاد، دندریتهای لیتیومی نیز ظاهراً جداکننده را سوراخ کرده و باعث اتصال کوتاه میشوند. گاهی اوقات الکترولیت ممکن است تحت واکنش های جانبی قرار گیرد یا در دمای بالا تجزیه شود. پایداری حرارتی الکترولیت های مایع فقط تا 100 درجه حفظ می شود، در حالی که الکترولیت های جامد اکسیدی می توانند به 800 درجه برسند و سولفیدها و هالیدها نیز می توانند به 400 درجه برسند. اکسیدهای جامد پایداری بیشتری نسبت به مایعات دارند و به دلیل شکل جامد، مقاومت آنها در برابر ضربه بسیار بیشتر از مایعات است. بنابراین، باتری های حالت جامد می توانند نیازهای ایمنی افراد را برآورده کنند.
چگالی انرژی بالا:
در حال حاضر، باتریهای حالت جامد به چگالی انرژی بیشتر از باتریهای مایع دست پیدا نکردهاند، اما از نظر تئوری باتریهای حالت جامد میتوانند چگالی انرژی بسیار بالایی داشته باشند. برای جلوگیری از نشتی مانند باتری های مایع، باتری های حالت جامد نیازی به پیچیده شدن در مایع ندارند. بنابراین، پوسته های اضافی، فیلم های بسته بندی، مواد اتلاف حرارت و غیره را می توان حذف کرد و چگالی انرژی را می توان تا حد زیادی بهبود بخشید.
قدرت بالا:
یونهای لیتیوم در باتریهای مایع توسط رسانایی حمل میشوند، در حالی که یونهای لیتیوم در باتریهای حالت جامد با رسانایی پرش انجام میشوند که سریعتر و سرعت شارژ و دشارژ بالاتری دارد. شارژ سریع همیشه در فناوری باتری مایع یک مشکل بوده است، زیرا اگر سرعت شارژ خیلی سریع باشد، لیتیوم رسوب میکند، اما این مشکل در باتریهای تمام حالت جامد وجود ندارد.
عملکرد دمای پایین:
باتریهای مایع معمولاً در دمای -10 تا 45 درجه بهطور پایدار کار میکنند، اما محدوده حرکت آنها در زمستان به طور جدی کاهش مییابد. دمای کار الکترولیت های جامد بین -30 درجه تا 100 درجه است، بنابراین هیچ کاهشی در عمر باتری به جز در مناطق بسیار سرد وجود نخواهد داشت و به سیستم مدیریت حرارتی پیچیده ای نیاز نیست.
طول عمر طولانی:
در بین باتریهای مایع، میانگین عمر باتریهای سه تایی 500-1000 چرخه است و عمر لیتیوم آهن فسفات میتواند به ۲000 چرخه برسد. حالت کاملاً جامد لایه نازک می تواند در آینده به 45،{7}} چرخه برسد و طول عمر 5C در آزمایشگاه می تواند به 10000 بار برسد. هنگامی که هزینه تولید با چگالی انرژی یکسان می تواند همگرا شود، مقرون به صرفه بودن باتری های حالت جامد بی نظیر است.
مقایسه 4 الکترولیت معدنی جامد
انواع مواد الکترولیت جامد را می توان به چهار دسته تقسیم کرد: اکسیدها، سولفیدها، پلیمرها و هالیدها. هر یک از این چهار نوع الکترولیت دارای خواص فیزیکی و شیمیایی متفاوتی هستند که دشواری تحقیق و توسعه، تولید و صنعتی شدن و موقعیت آتی آن در بازار را تعیین می کند.
الکترولیت های اکسیدی:
مزایا: هدایت یونی در وسط است و بهترین پایداری الکتروشیمیایی، پایداری مکانیکی و پایداری حرارتی را دارد. می توان آن را با مواد کاتدی با ولتاژ بالا و آندهای لیتیوم فلزی سازگار کرد. هدایت الکترونیکی عالی و انتخاب یون. در عین حال، درجه تداوم تجهیزات و هزینه ساخت نیز مزایای زیادی دارد. توانایی جامع جامع ترین است.
معایب: پایداری کاهش کمی کم، شکننده است و ممکن است باعث ایجاد ترک شود.
الکترولیت های اکسید دارای استحکام مکانیکی بالا، پایداری حرارتی و هوای خوب و پنجره های الکتروشیمیایی وسیع هستند. الکترولیت های اکسید را می توان به دو حالت بلوری و آمورف تقسیم کرد. الکترولیت های متداول اکسید کریستالی شامل نوع پروسکایت، نوع LISICON، نوع NASICON و نوع گارنت است. الکترولیت های اکسیدی می توانند ولتاژهای بالا را تحمل کنند، دمای تجزیه بالایی دارند و استحکام مکانیکی خوبی دارند. با این حال، هدایت یونی آن در دمای اتاق کم است (<10-4 S/cm), it has poor contact with the solid-solid interface of the positive and negative electrodes, and it is usually thick (>200μm)، که تا حد زیادی چگالی انرژی حجم باتری را کاهش می دهد. از طریق دوپینگ عنصر و اصلاح مرز دانه، رسانایی دمای اتاق الکترولیتهای اکسید را میتوان تا حد 10-3 S/cm افزایش داد. کنترل حجم کریستال و افزودن پوشش های پلیمری می تواند تماس سطحی بین الکترولیت اکسید و الکترودهای مثبت و منفی را بهبود بخشد. غشاهای الکترولیت جامد فوق نازک را می توان با روش های پوشش محلول/دوغاب تولید کرد.
الکترولیت سولفید:
مزایا: بالاترین رسانایی یونی، مقاومت مرزی دانه های کوچک، شکل پذیری خوب و انتخاب یون خوب.
معایب: پایداری شیمیایی ضعیف، با فلز لیتیوم واکنش می دهد و به راحتی با هوای مرطوب واکنش می دهد. هزینه بالاتر و خواص مکانیکی ضعیف است. در حال حاضر، تولید هنوز باید در جعبه دستکش انجام شود، که تولید انبوه در مقیاس بزرگ را دشوار می کند.
الکترولیت های سولفید دارای رسانایی در دمای اتاق بالا و شکل پذیری خوب هستند و پایداری آنها را می توان از طریق دوپینگ و پوشش بهبود داد. الکترولیت های سولفید در حال حاضر به سه شکل اصلی وجود دارند: شیشه، شیشه-سرامیک و کریستال. الکترولیتهای سولفیدی دارای رسانایی در دمای اتاق بالا هستند که میتواند نزدیک به الکترولیتهای مایع (10-4-10-2 S/cm)، سختی متوسط، تماس فیزیکی رابط خوب و خواص مکانیکی خوب باشد. آنها مواد کاندید مهمی برای باتری های حالت جامد هستند. با این حال، الکترولیت های سولفید دارای پنجره الکتروشیمیایی باریک، پایداری رابط ضعیف با الکترودهای مثبت و منفی هستند و به رطوبت بسیار حساس هستند. می تواند با مقادیر کمی از آب موجود در هوا واکنش داده و گاز سمی سولفید هیدروژن آزاد کند. تولید، حمل و نقل و فرآوری الزامات زیست محیطی بسیار بالایی دارند. روشهای اصلاحی مانند دوپینگ و پوشش میتوانند رابط بین سولفید و الکترودهای مثبت و منفی را تثبیت کنند و آنها را برای انواع مواد الکترود مثبت و منفی مناسب کنند و حتی در باتریهای لیتیوم سولفور استفاده شوند.
تهیه باتری های الکترولیت سولفید دارای الزامات زیست محیطی بالایی است. الکترولیت های سولفیدی رسانایی بالایی دارند و نسبتاً نرم هستند و با روش های پوشش دهی قابل تولید هستند. فرآیند تولید تفاوت چندانی با فرآیند تولید باتری مایع موجود ندارد، اما به منظور بهبود تماس رابط باتری، معمولاً لازم است چند پرس گرم پس از پوشش دهی انجام شود و یک لایه بافر برای بهبود تماس رابط اضافه شود. الکترولیت های سولفیدی به رطوبت بسیار حساس هستند و می توانند با مقادیر کمی از آب موجود در هوا واکنش دهند تا گاز سمی هیدروژن سولفید تولید کنند، بنابراین الزامات زیست محیطی برای تولید باتری بسیار بالا است.
الکترولیت پلیمری:
مزایا: ایمنی خوب، انعطاف پذیری خوب و تماس رابط، آسان برای تشکیل فیلم.
معایب: هدایت یونی در دمای اتاق بسیار کم است و پایداری حرارتی ضعیف است.
انعطاف پذیر است و پردازش آن آسان است و رسانایی را می توان از طریق پیوند متقابل، ترکیب، پیوند و افزودن نرم کننده ها بهبود بخشید. بسترهای پلیمری اصلی مورد استفاده در الکترولیت های پلیمری عبارتند از PEO، PAN، PVDF، PA، PEC، PPC و غیره. نمک های لیتیوم اصلی مورد استفاده شامل LiPF6، LiFSI، LiTFSI و غیره می باشد. و می تواند در محصولات الکترونیکی انعطاف پذیر یا باتری هایی با اشکال غیر متعارف استفاده شود. تماس فیزیکی خوبی با الکترودهای مثبت و منفی دارد و فرآیند نسبتاً نزدیک به باتریهای لیتیومی موجود است. به راحتی می توان از آن در تولید انبوه باتری از طریق تبدیل تجهیزات موجود استفاده کرد. با این حال، هدایت یونی الکترولیت های پلیمری در دمای اتاق معمولاً بسیار پایین است (<10-6 S/cm). The most common PEO-based polymer electrolyte also has poor oxidation stability and can only be used for LFP positive electrodes. The room temperature conductivity of polymer electrolytes can be improved by cross-linking, blending, grafting, or adding a small amount of plasticizers with a variety of polymers. In-situ curing can improve the physical contact between the polymer electrolyte and the positive and negative electrodes to the level of liquid batteries. The design of asymmetric electrolytes can broaden the electrochemical window of polymer electrolytes. The battery manufacturing process developed earlier and is relatively mature. The polymer electrolyte layer can be prepared by dry or wet methods. Battery cells assembly is achieved through roll-to-roll compounding between electrodes and electrolytes. Both dry and wet methods are very mature, easy to manufacture large batteries, and are closest to the existing liquid battery preparation methods.
الکترولیت هالید:
مزایا: مقاومت الکترونیکی کم، گزینش پذیری یون بالا، پایداری کاهشی بالا و شکستن آسان نیست.
معایب: هنوز در مرحله آزمایشگاهی است، پایداری شیمیایی و پایداری اکسیداتیو ضعیفی دارد و مقاومت یونی بالایی دارد.
با توجه به مزایا و معایب برجسته هالیدها و پلیمرها، رقابت جهانی آینده برای باتری های حالت جامد عمدتاً بر روی اکسیدها و سولفیدها متمرکز خواهد بود. در واقع، به دلیل پایداری شیمیایی ضعیف، انواع موادی که می توان برای الکترولیت های سولفیدی انتخاب کرد، بسیار باریک هستند، اما تا زمانی که مواد مناسب و پیشرفت های فرآیندی پیدا شود، می توان این کمبود را جبران کرد.
با این حال، از منظر صنعتی شدن، فرآیندهای پیچیده منجر به هزینههای بالاتر و سقف مقیاس میشوند، بنابراین الکترولیتهای جامد اکسیدی در حال حاضر جریان اصلی در توسعه باتریهای حالت جامد هستند. از باتری های مایع گرفته تا باتری های حالت جامد، مرحله باتری نیمه جامد وجود خواهد داشت و مناسب ترین آن در این مرحله مسیر اکسید است. این به دلیل عملکرد جامع و مزایای هزینه آن است. باتری های نیمه جامد می توانند با سرعت بیشتری جایگزین باتری های مایع فعلی شوند و به تدریج از مزایا و مقرون به صرفه بودن باتری های حالت جامد استفاده کنند.
با این حال، با پیشرفت تکنولوژی، هنوز مشخص نیست که آیا جهان در آینده تحت سلطه اکسیدها یا سولفیدها خواهد بود. هسته فناوری باتری های حالت جامد تحقیق و توسعه الکترولیت های حالت جامد است. اگرچه مواد الکترولیت جامد فعلی پیشرفت زیادی داشته اند، اما هنوز مشکلاتی مانند رسانایی ضعیف، مقاومت رابط بزرگ و هزینه های آماده سازی بالا دارند. برای بهبود رسانایی و پایداری الکترولیتهای جامد، تحقیقات اساسی و پیشرفتهای فناوری ادامه پیدا میکند.
