Mga solid-state na baterya: Kailan Magiging "Mga Mainstay" ang "Mga Kapalit"?

Mga solidong bateryaay umuusbong bilang susunod na henerasyong pinagmumulan ng kuryente, ngunit ang mga hybrid na solid-liquid na baterya ay malamang na magkomersyal muna at magsisilbing isang mahalagang tulay sa pagitan ng mga liquid lithium-ion cell ngayon at mga all-solid-state system sa hinaharap.

Ano ang mga solid-state na baterya

Pinapalitan ng mga solid-state na baterya ang mga nasusunog na likidong electrolyte ng mga solidong materyales habang pinapagana ang mas mataas na density ng enerhiya at mas mahusay na pagganap ng kaligtasan. Ang kanilang mga cathode ay maaaring gumamit ng mga materyales na may mataas na enerhiya tulad ng lithium-rich manganese-based compound, habang ang anode ay maaaring pagsamahin ang nano-silicon at graphite upang itulak ang density ng enerhiya patungo sa 300–450 Wh/kg.

Ang isang solidong electrolyte ay nagdadala ng mga lithium ions na walang panganib sa pagtagas at makabuluhang binabawasan ang posibilidad na tumakas sa thermal.

Ang mas mataas na kapasidad na anode at mataas na boltahe na mga cathode ay nagbibigay sa mga solid-state na baterya ng potensyal para sa mas mahabang driving range sa mga de-koryenteng sasakyan at pinahusay na tibay sa mga drone o mga sistema ng pag-iimbak ng enerhiya.

Hybrid solid–liquid bilang isang transition

Tinutukoy ng artikulo ang mga likido, hybrid na solid-liquid, at all-solid-state na mga baterya ng lithium, na nagbibigay-diin na ang mga hybrid na disenyo ay isang mahalagang yugto ng paglipat. Ang mga semi-solid, quasi-solid, at "solid" na mga baterya sa merkado ay higit sa lahat ay nabibilang sa hybrid na kategoryang ito, na naiiba lamang sa ratio ng likido sa solid electrolyte.

Ang mga hybrid na solid-liquid na baterya ay naglalaman pa rin ng ilang likidong electrolyte, na nagpapahusay sa pakikipag-ugnay sa mga aktibong materyales at nagpapadali sa paggawa.

Ang mga all-solid-state na baterya ay naglalaman lamang ng solid electrolyte, na nag-aalok ng mas mahusay na intrinsic na kaligtasan at mas mataas na teoretikal na density ng enerhiya ngunit nahaharap sa mas matitinding hamon sa engineering ngayon.

Mga teknikal na hadlang sa ganap na solid-state

Bagama't maraming kumpanya at instituto ng pananaliksik sa buong mundo ang namumuhunan sa solid-state na teknolohiya, wala pang malaking kapasidad na solid-state power cell ang nakatugma sa mga likidong lithium-ion na baterya sa parehong pagganap at gastos. Ang pangunahing kahirapan ay nakasalalay sa solid-solid na interface, kung saan ang mga matibay na electrolyte na materyales ay nagpapahirap sa pagpapanatili ng intimate contact sa mga electrodes sa panahon ng pagbibisikleta at pagbabago ng volume.

Kasama sa mga kasalukuyang ruta ang polymer, thin-film, sulfide, at oxide solid-state na mga baterya, bawat isa ay may natatanging mga pakinabang at limitasyon.

Halimbawa, ang mga polymer solid-state na cell ay nakikipagpunyagi sa temperatura ng silid at may mataas na boltahe na mga cathode, habang ang mga sulfide system ay sensitibo sa hangin at nangangailangan ng hinihingi na mga kondisyon sa pagmamanupaktura.

In-situ solidification diskarte

Upang malampasan ang mga isyu sa interface habang ginagamit ang kasalukuyang imprastraktura ng lithium-ion, ang mga mananaliksik ay nagmumungkahi ng isang in-situ na diskarte sa solidification para sa hybrid solid-liquid electrolytes. Sa panahon ng pagpupulong ng cell, tinitiyak ng isang likidong precursor ang mahusay na basa at pakikipag-ugnay; kalaunan, ang mga kemikal o electrochemical na reaksyon ay nagpapalit ng lahat o bahagi ng likidong ito sa isang solidong electrolyte sa loob ng cell.

Pinapabuti ng paraang ito ang electrode–electrolyte contact, pinipigilan ang paglaki ng lithium dendrite, at binabalanse ang kaligtasan, mataas na boltahe, at mabilis na pag-charge.

Maaari din nitong muling gamitin ang karamihan sa kasalukuyang proseso ng produksyon ng likidong lithium-ion, na tumutulong sa mga tagagawa na mas mabilis na mapalaki at mabawasan ang mga gastos.

Mga direksyon sa pag-unlad sa hinaharap

Inaasahan ng mga eksperto na ang mga all-solid-state na lithium na baterya ay mangangailangan ng humigit-kumulang limang taon bago ang tunay na malakihang komersyalisasyon, kaya ang mga hybrid na solid-liquid power na baterya ay nananatiling isang makatotohanang malapit-matagalang landas. Upang mapabilis ang industriyalisasyon, itinatampok ng artikulo ang pangangailangan para sa magkakaugnay na pag-unlad sa mga materyales, disenyo ng cell, pagmamanupaktura, at mga pamantayan.

Kabilang sa mga priyoridad ang: pagbuo ng solid electrolytes na may balanseng ionic conductivity, stability, at processability; tumutugma sa mga high-energy electrodes tulad ng high-nickel cathodes at silicon–carbon o lithium metal anodes; at pagsasama ng digital simulation sa intelligent na pagmamanupaktura.

Hinihikayat ang industriya na bumuo ng matatag na supply chain para sa mga pangunahing materyales, mamuhunan sa automated na kagamitan, pinuhin ang mga sistema ng pagsubok at pagsusuri, at unti-unting umunlad mula sa hybrid na solid-liquid mga baterya ng lithium-ionpatungo sa ganap na solid-state na lithium metal na mga baterya.