باتری‌های حالت جامد: چه زمانی «جایگزین‌ها» به «پایه‌های اصلی» تبدیل می‌شوند؟

باتری های حالت جامدبه عنوان منبع انرژی نسل بعدی در حال ظهور هستند، اما باتری های هیبریدی جامد-مایع احتمالاً ابتدا تجاری می شوند و به عنوان پل مهمی بین سلول های لیتیوم یون مایع امروزی و سیستم های تمام حالت جامد آینده عمل می کنند.

باتری های حالت جامد چیست؟

باتری‌های حالت جامد، الکترولیت‌های مایع قابل اشتعال را با مواد جامد جایگزین می‌کنند و در عین حال چگالی انرژی بالاتر و عملکرد ایمنی بهتری را ممکن می‌سازند. کاتدهای آنها می توانند از مواد پرانرژی مانند ترکیبات مبتنی بر منگنز غنی از لیتیوم استفاده کنند، در حالی که آند می تواند نانو سیلیکون و گرافیت را ترکیب کند تا چگالی انرژی را به سمت 300-450 Wh/kg برساند.

یک الکترولیت جامد یون های لیتیوم را بدون خطر نشت حمل می کند و احتمال فرار حرارتی را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد.

آندهای با ظرفیت بالاتر و کاتدهای ولتاژ بالا به باتری‌های حالت جامد پتانسیل برد طولانی‌تر رانندگی در وسایل نقلیه الکتریکی و استقامت بهتر در پهپادها یا سیستم‌های ذخیره انرژی را می‌دهند.

ترکیبی جامد-مایع به عنوان یک انتقال

این مقاله باتری‌های لیتیومی مایع، هیبریدی جامد-مایع و باتری‌های لیتیوم تمام حالت جامد را متمایز می‌کند و تأکید می‌کند که طرح‌های هیبریدی یک مرحله انتقال ضروری هستند. باتری های نیمه جامد، شبه جامد و "جامد" موجود در بازار عمدتاً در این دسته هیبریدی قرار می گیرند و تنها در نسبت الکترولیت مایع به جامد متفاوت هستند.

باتری های هیبریدی جامد-مایع هنوز حاوی مقداری الکترولیت مایع هستند که تماس با مواد فعال را بهبود می بخشد و تولید را آسان می کند.

باتری‌های تمام حالت جامد فقط حاوی الکترولیت جامد هستند که ایمنی ذاتی بهتر و چگالی انرژی نظری بالاتری را ارائه می‌دهند، اما امروزه با چالش‌های مهندسی شدیدتری مواجه هستند.

موانع فنی برای حالت جامد کامل

اگرچه بسیاری از شرکت‌ها و موسسات تحقیقاتی در سراسر جهان در حال سرمایه‌گذاری بر روی فناوری حالت جامد هستند، هیچ سلول قدرت جامد با ظرفیت بالا هنوز با باتری‌های لیتیوم یون مایع هم از نظر کارایی و هم از نظر هزینه مطابقت نداشته است. مشکل اصلی در رابط جامد و جامد است، جایی که مواد الکترولیت سفت و سخت حفظ تماس نزدیک با الکترودها در طول چرخه و تغییرات حجم را دشوار می کند.

مسیرهای فعلی شامل باتری‌های پلیمری، لایه نازک، سولفیدی و اکسیدی است که هر کدام مزایا و محدودیت‌های مشخصی دارند.

به عنوان مثال، سلول‌های حالت جامد پلیمری در دمای اتاق و با کاتدهای ولتاژ بالا مبارزه می‌کنند، در حالی که سیستم‌های سولفیدی به هوا حساس هستند و به شرایط ساخت سخت نیاز دارند.

استراتژی انجماد درجا

برای غلبه بر مشکلات رابط در حالی که از زیرساخت‌های لیتیوم یونی استفاده می‌کنند، محققان یک رویکرد انجماد در محل برای الکترولیت‌های ترکیبی جامد-مایع پیشنهاد می‌کنند. در طول مونتاژ سلول، یک پیش ماده مایع خیس شدن و تماس خوب را تضمین می کند. بعداً واکنش های شیمیایی یا الکتروشیمیایی تمام یا بخشی از این مایع را به یک الکترولیت جامد در داخل سلول تبدیل می کند.

این روش تماس الکترود و الکترولیت را بهبود می بخشد، رشد دندریت لیتیوم را سرکوب می کند و ایمنی، ولتاژ بالا و عملکرد شارژ سریع را متعادل می کند.

همچنین می‌تواند از بسیاری از فرآیند تولید لیتیوم یون مایع فعلی استفاده مجدد کند، و به تولیدکنندگان کمک می‌کند تا سریع‌تر افزایش یافته و هزینه‌ها را کاهش دهند.

جهت گیری های توسعه آینده

کارشناسان انتظار دارند که باتری‌های لیتیومی تمام حالت جامد تقریباً به پنج سال دیگر قبل از تجاری‌سازی واقعی در مقیاس بزرگ نیاز دارند، بنابراین باتری‌های هیبریدی قدرت جامد-مایع یک مسیر کوتاه مدت واقعی باقی می‌مانند. برای تسریع صنعتی شدن، مقاله نیاز به پیشرفت هماهنگ در مواد، طراحی سلول، ساخت و استانداردها را برجسته می‌کند.

اولویت ها عبارتند از: توسعه الکترولیت های جامد با رسانایی یونی متعادل، پایداری و پردازش پذیری. تطبیق الکترودهای پرانرژی مانند کاتدهای نیکل بالا و آندهای فلزی سیلیکون کربن یا لیتیوم. و ادغام شبیه سازی دیجیتال با ساخت هوشمند.

صنعت تشویق می‌شود تا زنجیره‌های تامین قوی برای مواد کلیدی بسازد، در تجهیزات خودکار سرمایه‌گذاری کند، سیستم‌های آزمایش و ارزیابی را اصلاح کند، و به تدریج از ترکیبی جامد- مایع تکامل یابد. باتری های لیتیوم یونیبه سمت باتری های فلزی لیتیوم کاملاً جامد.