În valul actual de dezvoltare viguroasă a noilor tehnologii energetice, bateria în stare solidă, ca o tehnologie de baterii de generație viitoare extrem de promițătoare, a atras o atenție extinsă din toate punctele de viață. Pe măsură ce cerințele oamenilor pentru rezistența dispozitivelor electronice și gama de conducere a vehiculelor electrice continuă să crească, iar accentul lor pe performanța siguranței bateriei crește zi de zi, bateria în stare solidă este foarte așteptată să abordeze multe puncte de durere ale bateriilor tradiționale de litiu-ion cu ioni în ceea ce privește siguranța și gama. Cu toate acestea, înainte de popularizarea și aplicarea sa pe scară largă, o întrebare cheie persistă în mintea consumatorilor: este sigură a bateriei în stare solidă și capabilă să ofere o gamă lungă? Pentru a răspunde la această întrebare, trebuie să ne aprofund în mecanismul de lucru, caracteristicile tehnice și starea actuală de cercetare și aplicare a bateriilor cu stare solidă.
Principiul de lucru și caracteristicile structurale ale bateriei în stare solidă
Diferența de miez dintre bateria în stare solidă și bateria tradițională de litiu lichid se află sub formă de electrolit. Bateriile tradiționale cu ioni de litiu lichid utilizează electrolit lichid pentru a realiza procesul de încărcare și descărcare prin mișcarea ionilor de litiu între electrozii pozitivi și negativi. În schimb, bateriile în stare solidă utilizează electrolit solid, care este de obicei fabricat din materiale ceramice, polimerice sau sulfură. În bateriile cu stare solidă, ionii de litiu se deintercalează de la electrodul pozitiv în timpul încărcării și se intercalează în electrodul negativ prin electrolitul solid; În timpul descărcării, se mișcă în direcția opusă, în timp ce electronii curg de la electrodul negativ la electrodul pozitiv prin circuitul extern, generând curent pentru a alimenta dispozitivul.
Utilizarea electrolitului solid dotează baterii în stare solidă cu caracteristici structurale unice. În comparație cu electrolitul lichid, care necesită un separator care să prevină scurtcircuitul între electrozii pozitivi și negativi, electrolitul solid în sine are funcțiile duale de conducere ionică și izolarea electrodului, ceea ce face ca structura bateriei să fie mai compactă. Între timp, electrolitul solid prezintă o stabilitate mai mare și este mai puțin predispus la volatilizare și scurgeri, punând o bază pentru performanțele îmbunătățite ale siguranței bateriei.
Performanța de siguranță a bateriei în stare solidă
Bateriile tradiționale cu ioni de litiu lichid prezintă un risc de fugă termică în condiții de temperatură ridicată. Atunci când temperatura bateriei depășește un anumit prag, cum ar fi 80 de grade, electrolitul lichid se poate descompune pentru a produce gaze inflamabile, iar reacțiile laterale în interiorul bateriei se intensifică, ceea ce duce la o acumulare rapidă de căldură și, în cele din urmă, determinând bateria să prindă foc sau chiar să explodeze. Datele de la agenția germană de testare Tüv dezvăluie clar acest pericol ascuns.
Bateriile cu stare solidă prezintă avantaje semnificative în stabilitate termică. Datorită absenței componentelor lichide volatile și inflamabile în electrolitul solid, stabilitatea sa termică este mult mai mare decât cea a electrolitului lichid. Testul de puncție efectuat de noua Organizație de Dezvoltare a Tehnologiei Energetice și Industriale (NEDO) din Japonia este impresionant: atunci când un ac de oțel perforează o baterie în stare solidă, temperatura bateriei crește doar cu 2 grade, în timp ce o baterie tradițională de litiu lichid va prinde foc și va exploda în doar 3 secunde. Acest rezultat experimental demonstrează vizual siguranța superioară a bateriilor în stare solidă în fața abuzurilor mecanice extreme.
Într-o hârtie intitulată „Bateriile cu stare solidă sunt mai sigure decât bateriile (lichide) cu ioni de litiu?” Publicate în Science în aprilie 2022, cercetătorii au discutat despre limitele de eliberare a căldurii și creșterea temperaturii bateriilor cu ioni de litiu lichid, baterii semi-solide cu o anumită cantitate de electrolit și baterii cu stat solid sub trei scenarii termice. Studiul a constatat că, în starea termică, cauzată de încălzirea externă, bateriile cu stat solid depășesc bateriile semi-solide și lichide cu ioni de litiu. Densitatea ridicată a electrolitului solid în bateriile cu stat solid poate forma o barieră eficientă a gazului, împiedicând contactul dintre litiu pe electrodul negativ și oxigenul eliberat de electrodul pozitiv. În acest scenariu ipotetic, nu ar exista o eliberare semnificativă de căldură.
Inhibarea creșterii dendritei de litiu
În timpul procesului de încărcare și descărcare a bateriilor tradiționale cu ioni de litiu lichid, ionii de litiu se pot cristaliza direct pe suprafața electrodului negativ în timpul încărcării rapide, formând dendrite periculoase de litiu. Creșterea dendritelor de litiu nu numai că duce la descompunerea capacității bateriei, dar poate perfora și separatorul, provocând un scurtcircuit între electrozii pozitivi și negativi și declanșând un incident de siguranță. Acest pericol ascuns a fost dezvăluit de ingineri de la Catl.
Bateriile în stare solidă prezintă potențial în inhibarea creșterii dendritei de litiu. Structura specială și proprietățile electrolitului solid pot oferi o cale mai uniformă pentru migrația ionilor de litiu, reducând posibilitatea formării de dendrite de litiu. Deși eliminarea completă a creșterii dendritei de litiu reprezintă încă provocări în aplicațiile practice, tendința de îmbunătățire a bateriilor în stare solidă în această privință este evidentă în comparație cu bateriile cu ioni de litiu lichid.
Riscuri potențiale de siguranță
În ciuda numeroaselor avantaje ale bateriilor în stare solidă în ceea ce privește siguranța, acestea nu sunt absolut sigure. În anumite cazuri extreme, cum ar fi atunci când electrolitul solid eșuează sau dendritele de litiu pătrund în electrolitul solid, provocând un scurtcircuit, siguranța bateriilor cu stat solid și a bateriilor semi-solide nu este superioară celei a bateriilor cu litiu lichid. Profesorul AI Xinping de la Școala de Chimie și Științe Moleculare de la Universitatea Wuhan subliniază că afirmația potrivit căreia bateriile cu stat solid au atât o densitate energetică ridicată, cât și o siguranță bună implică de fapt o manieră conceptuală a mâinii. Deoarece unele materiale din bateriile cu stare solidă pot produce gaze toxice, cum ar fi sulfura de hidrogen în caz de accident, deși nu vor arde direct oamenii precum bateriile tradiționale, gazul cu sulfură de hidrogen este toxic și poate provoca daune grave corpului uman.
Potențialul bateriei în stare solidă în intervalul
În teorie, bateriile în stare solidă au potențialul de a obține o densitate energetică ridicată, ceea ce este de așteptat să îmbunătățească semnificativ rezistența dispozitivelor. Electrolitul solid permite utilizarea litiului metalic pur ca electrod negativ, ceea ce crește semnificativ capacitatea de stocare a energiei pe unitatea de volum. Datele experimentale de la Institutul de Bioenergie și Bioproces Qingdao
Luând ca exemplu vehiculele electrice, gama de conducere a fost întotdeauna un focus al atenției consumatorilor. Bateria Kunpeng de la Chery, ca reprezentant al bateriilor cu stare solidă, intenționează să obțină o densitate energetică de 400Wh\/kg în 2024 și să o crească la 600Wh\/kg în 2025. Conform planului, atunci când este produs în masă în 2027, intervalul de conducere electrică pur va depăși 1500 km. Dacă se ating aceste obiective, acesta va atenua foarte mult anxietatea intervalului utilizatorilor de vehicule electrice.
Provocări în domeniul real
Cu toate acestea, de la laborator la aplicații practice, bateriile cu stare solidă se confruntă în continuare cu anumite provocări în ceea ce privește raza de acțiune. În primul rând, impedanța de interfață între electrolitul solid și electrozi este relativ proeminent, ceea ce este asemănător cu configurarea unei cabine de taxare pe o autostradă, împiedicând transmiterea rapidă a ionilor de litiu și afectând raza de încărcare a bateriei și descărcarea eficienței, afectând în mod negativ intervalul. În al doilea rând, defectul fatal al electrolitului de sulfură, care produce sulfură de hidrogen extrem de toxic atunci când este expus la apă, nu numai că crește riscurile de siguranță în timpul producției și utilizării bateriei, dar prezintă și provocări severe pentru stabilitatea și fiabilitatea bateriei. În plus, randamentul scăzut de preparare solidă a filmului cu electroliți duce la costuri mari de producție la scară largă, limitând aplicarea pe scară largă a bateriilor în stare solidă și afectând indirect procesul de a demonstra avantajele lor pe termen lung pe piață.
Concluzie și perspective
În rezumat, bateriile în stare solidă demonstrează un potențial semnificativ în ceea ce privește siguranța și raza de acțiune. În ceea ce privește siguranța, avantajele lor de stabilitate termică sunt evidente și pot inhiba în mod eficient creșterea de dendrită a litiului, ceea ce le face mai sigure și mai fiabile decât bateriile tradiționale cu ioni lichizi în majoritatea cazurilor. Cu toate acestea, în fața unor situații extreme, cum ar fi defecțiunea solidă a electrolitului, există încă anumite riscuri de siguranță. În ceea ce privește gama, avantajul teoretic al densității energetice ridicate oferă posibilitatea unei raze lungi, iar unele date experimentale și planuri corporative arată, de asemenea, perspective promițătoare. Cu toate acestea, în aplicații practice, probleme precum impedanța interfeței, defectele electrolitice și costurile au devenit obstacole care împiedică realizarea pe deplină a avantajelor lor pe termen lung.
În ciuda faptului că se confruntă cu numeroase provocări, bateriile în stare solidă sunt încă considerate o direcție importantă de dezvoltare pentru tehnologiile de baterii de generație următoare.