V trenutnem valu živahnega razvoja novih energetskih tehnologij je trdna baterija kot zelo obetavna tehnologija baterije naslednje generacije pritegnila veliko pozornosti iz vseh življenjskih slojev. Ker se ljudi za vzdržljivost elektronskih naprav in gonilna paleta električnih vozil še naprej povečuje, njihov poudarek na učinkovitosti varnosti baterije pa se iz dneva v dan povečuje, se zelo pričakuje, da bo v varnosti in doseganju veliko bolečinskih točk tradicionalnih litij-ionskih baterij. Toda pred obsežno popularizacijo in uporabo se ključno vprašanje zadržuje v glavah potrošnikov: ali je baterija v trdni državi varna in je sposobna zagotavljati dolge doseg? Da bi odgovorili na to vprašanje, se moramo poglobiti v delovni mehanizem, tehnične značilnosti ter trenutne raziskave in stanje uporabe v trdnih baterijah.
Delovno načelo in strukturne značilnosti baterije v trdnem stanju
Razlika jedra med trdno stanje in tradicionalno tekočo litij-ionsko baterijo je v obliki elektrolita. Tradicionalne tekoče litij-ionske baterije uporabljajo tekoči elektrolit, da dosežejo postopek polnjenja in odvajanja s premikom litijevih ionov med pozitivnimi in negativnimi elektrodami. V nasprotju s tem v trdnih baterijah uporabljajo trden elektrolit, ki je običajno izdelan iz keramičnih, polimera ali sulfidnih materialov. V baterijih v trdnem stanju se litijevi ioni med polnjenjem deinterkalirajo iz pozitivne elektrode in v negativno elektrodo prepletajo skozi trden elektrolit; Med odvajanjem se premikajo v nasprotni smeri, medtem ko elektroni pretakajo iz negativne elektrode v pozitivno elektrodo skozi zunanje vezje in ustvarjajo tok za napajanje naprave.
Uporaba trdnih elektrolitov obdari trdne baterije z edinstvenimi strukturnimi lastnostmi. V primerjavi s tekočim elektrolitom, ki zahteva separator, da prepreči kratek stik med pozitivnimi in negativnimi elektrodami, ima sam trdni elektrolit dvojne funkcije ionske prevodnosti in izolacije elektrode, zaradi česar je struktura baterije bolj kompaktna. Medtem ima trdni elektrolit večjo stabilnost in je manj nagnjen k hlapnosti in uhajanju, ki postavlja temelje za izboljšane varnosti baterije.
Varnostna zmogljivost baterije v trdnem stanju
Tradicionalne tekoče litij-ionske baterije predstavljajo tveganje za toplotno pobeg v visokotemperaturnih pogojih. Ko temperatura baterije presega določen prag, kot je 80 stopinj, se lahko tekoči elektrolit razgradi, da nastane vnetljive pline, stranske reakcije znotraj baterije pa se stopnjevajo, kar vodi do hitrega kopičenja toplote in na koncu povzroči, da se baterija zažge ali celo eksplodira. Podatki nemške agencije za testiranje Tüv jasno razkrivajo to skrito nevarnost.
Trdno stanja baterije imajo pomembne prednosti pri toplotni stabilnosti. Zaradi odsotnosti hlapnih in vnetljivih tekočih komponent v trdnem elektrolitu je njegova toplotna stabilnost veliko višja kot pri tekočem elektrolitu. Preizkus punkcije, ki ga je izvedla nova Japonska organizacija za razvoj energije in industrijske tehnologije (NEDO), je impresiven: ko jeklena igla prebija baterijo v trdni državi, se temperatura baterije dvigne le za 2 stopinjo, medtem ko se bo tradicionalna tekoča litij-ionska baterija zažgala in eksplodirala v samo 3 sekundah. Ta eksperimentalni rezultat vizualno prikazuje vrhunsko varnost trdnih baterij ob ekstremni mehanski zlorabi.
V prispevku z naslovom "Ali so baterije v trdnih stanju varnejše od (tekočih) litij-ionskih baterij?" Raziskovalci, objavljeni v Science aprila 2022, so razpravljali o mejah sproščanja toplote in temperature tekočih litij-ionskih baterij, pol trdnih baterij z določeno količino elektrolitov in v treh scenarijih termičnega pobega. Študija je pokazala, da v toplotnem stanju, ki ga povzročajo zunanji segrevalni bateriji, ki so trdne države presegale pol trdne in tekoče litij-ionske baterije. Visoka gostota trdnega elektrolita v vse trdnih baterijah lahko tvori učinkovito plinsko pregrado, kar preprečuje stik med litijem na negativni elektrodi in kisikom, ki se sprosti iz pozitivne elektrode. V tem hipotetičnem scenariju ne bi bilo pomembnega sproščanja toplote.
Inhibicija rasti litijevega dendrita
Med postopkom polnjenja in praznjenja tradicionalnih tekočih litij-ionskih baterij se lahko litijevi ioni med hitrim polnjenjem neposredno kristalizirajo na površini negativne elektrode in tvorijo nevarne litijeve dendriti. Rast litijevih dendritov ne vodi le do razpada zmogljivosti baterije, ampak lahko tudi prebija separator, kar povzroči kratek stik med pozitivnimi in negativnimi elektrodami ter sproži varnostni incident. To skrito nevarnost so razkrili inženirji iz CATL.
Trdno stanja baterije kažejo potencial pri zaviranju rasti litijevega dendrita. Posebna struktura in lastnosti trdnega elektrolita lahko zagotavljajo bolj enakomerno pot za migracijo litijevih ionov, kar zmanjša možnost tvorbe litijevega dendrita. Čeprav popolnoma odpravljanje rasti litijevega dendrita še vedno predstavlja izzive v praktičnih aplikacijah, je trend izboljšanja baterij v trdnih stanju v zvezi s tem razviden v primerjavi s tekočimi litij-ionskimi baterijami.
Potencialna varnostna tveganja
Kljub številnim prednostim trdnih baterij v smislu varnosti niso popolnoma varni. V nekaterih ekstremnih primerih, na primer, ko trden elektrolit ne uspe, ali litijevi dendriti prodrejo v trden elektrolit, kar povzroči kratek stik, varnost vse trdnih baterij in pol trdnih baterij ni boljša od varnosti tekočih litij-ionskih baterij. Profesor Ai Xinping iz Šole za kemijo in molekularne vede na univerzi Wuhan poudarja, da trditev, da imajo vse trdne baterije tako visoko energijsko gostoto kot dobra varnost, dejansko vključuje konceptualno roko. Ker lahko nekateri materiali v baterijah v trdnem stanju proizvajajo strupene pline, kot je vodikov sulfid v primeru nesreče, čeprav ne bodo neposredno kurjeli ljudi, kot so tradicionalne baterije, je vodikov sulfidni plin strupen in lahko povzroči resno škodo človeškemu telesu.
Potencial trdne baterije v dosegu
Teoretično lahko v trdnih baterijah dosežejo visoko gostoto energije, kar naj bi znatno povečalo vzdržljivost naprav. Trdni elektrolit omogoča uporabo čiste kovinske litija kot negativne elektrode, kar znatno poveča zmogljivost shranjevanja energije na enoto volumna. Eksperimentalni podatki z Inštituta Qingdao za bioenergijo in tehnologijo bioproces Kitajske akademije znanosti kažejo, da je gostota energije njihovih vzorcev baterij v trdnih stanju presegla 500Wh\/kg, medtem ko je gostota energije 21700 baterije, ki se uporablja v Tesla Model 3, le 260wh\/kg.
Kot primer jemanje električnih vozil je bilo v središču pozornosti potrošnikov vedno v središču pozornosti. Kunpeng baterija iz Cheryja kot predstavnik baterij v trdnih državah načrtuje doseganje energijske gostote 400Wh\/kg leta 2024 in jo poveča na 600Wh\/kg leta 2025. Glede na načrt, ko se bo leta 2027 množična, naj bi čisti električni vožnji presegel 1500 km. Če bodo ti cilji doseženi, bo to močno ublažilo tesnobo uporabnikov električnih vozil.
Izzivi v dejanskem dosegu
Vendar pa se od laboratorija do praktičnih aplikacij v trdnih baterijah še vedno soočajo z nekaterimi izzivi v smislu dosega. Prvič, impedanca vmesnika med trdnim elektrolitom in elektrodami je sorazmerno izrazita, ki je podobna postavljanju cestninske kabine na avtocesti, ki ovira hiter prenos litijevih ionov in vpliva na polnjenje in odvajanje baterije, kar negativno vpliva na doseg. Drugič, usodna napaka sulfidnega elektrolita, ki proizvaja zelo strupen vodikov sulfid, ko je izpostavljen vodi, ne samo poveča varnostna tveganja med proizvodnjo baterije in uporabo, ampak tudi predstavlja hude izzive stabilnosti in zanesljivosti baterije. Poleg tega nizka donos trdnih elektrolitnih filmov v velikem obsegu vodi do visokih stroškov proizvodnje, kar omejuje široko uporabo baterij v trdnih stanju in posredno vpliva na postopek dokazovanja njihovih dolgoročnih prednosti na trgu.
Zaključek in obeti
Če povzamemo, baterije v trdnih stanju kažejo pomemben potencial v smislu varnosti in dosega. Glede na varnost so njihove prednosti toplotne stabilnosti očitne in lahko učinkovito zavirajo rast litijevega dendrita, zaradi česar so v večini primerov bolj varni in zanesljivi kot tradicionalne tekoče litij-ionske baterije. Vendar pa ob skrajnih situacijah, kot je trdna okvara elektrolita, še vedno obstajajo določena varnostna tveganja. Glede na doseg teoretična prednost visoko energijske gostote ponuja možnost dolgega dosega, nekateri eksperimentalni podatki in načrti podjetij pa kažejo tudi obetavne možnosti. Vendar pa v praktičnih aplikacijah vprašanja, kot so impedanca vmesnika, napake elektrolitov in stroški, postanejo ovire, ki ovirajo popolno uresničitev njihovih dolgoročnih prednosti.
Kljub temu, da se soočajo s številnimi izzivi, se v trdnih baterijah še vedno obravnavajo kot pomembna razvojna smer za tehnologije baterij nove generacije.