لماذا تعتبر بطاريات الحالة الصلبة بالكامل اتجاهاً صناعياً؟
حماية عالية:
لقد تم دائمًا انتقاد قضايا السلامة المتعلقة بالبطاريات السائلة. المنحل بالكهرباء قابل للاشتعال بسهولة تحت درجة حرارة عالية أو تأثير شديد. في ظل التيار العالي، سوف تظهر تشعبات الليثيوم أيضًا وكأنها تخترق الفاصل وتسبب ماس كهربائي. في بعض الأحيان قد يخضع المنحل بالكهرباء لتفاعلات جانبية أو يتحلل عند درجات حرارة عالية. لا يمكن الحفاظ على الاستقرار الحراري للإلكتروليتات السائلة إلا حتى 100 درجة، بينما يمكن أن تصل إلكتروليتات الأكسيد الصلبة إلى 800 درجة، ويمكن أيضًا أن تصل الكبريتيدات والهاليدات إلى 400 درجة. الأكاسيد الصلبة أكثر استقرارًا من السوائل، ونظرًا لشكلها الصلب، فإن مقاومتها للصدمات أعلى بكثير من مقاومة السوائل. ولذلك، يمكن لبطاريات الحالة الصلبة تلبية احتياجات الناس للسلامة.
كثافة الطاقة العالية:
في الوقت الحاضر، لم تحقق بطاريات الحالة الصلبة كثافة طاقة تتجاوز كثافة البطاريات السائلة، ولكن من الناحية النظرية يمكن لبطاريات الحالة الصلبة تحقيق كثافة طاقة عالية جدًا. لا تحتاج بطاريات الحالة الصلبة إلى تغليفها بالسائل لمنع التسرب مثل البطاريات السائلة. لذلك، يمكن التخلص من الأصداف الزائدة وأغشية التغليف ومواد تبديد الحرارة وما إلى ذلك، ويمكن تحسين كثافة الطاقة بشكل كبير.
قوة عالية:
يتم حمل أيونات الليثيوم في البطاريات السائلة عن طريق التوصيل، في حين أن أيونات الليثيوم في بطاريات الحالة الصلبة يتم حملها عن طريق التوصيل القفزي، وهو أسرع وله معدل شحن وتفريغ أعلى. لطالما كان الشحن السريع يمثل صعوبة في تكنولوجيا البطاريات السائلة، لأن الليثيوم سوف يترسب إذا كانت سرعة الشحن سريعة جدًا، لكن هذه المشكلة غير موجودة في بطاريات الحالة الصلبة بالكامل.
أداء درجة حرارة منخفضة:
تعمل البطاريات السائلة بشكل عام بثبات عند درجة -10 إلى 45 درجة، ولكن نطاق إبحارها ينخفض بشكل خطير في الشتاء. تتراوح درجة حرارة تشغيل الإلكتروليتات الصلبة بين -30 درجة و100 درجة، لذلك لن يكون هناك انخفاض في عمر البطارية إلا في المناطق شديدة البرودة، ولا يلزم وجود نظام معقد لإدارة الحرارة.
طويل العمر الافتراضي:
من بين البطاريات السائلة، يبلغ متوسط عمر البطاريات الثلاثية 500-1000 دورات، ويمكن أن يصل عمر فوسفات حديد الليثيوم إلى 2000 دورة. يمكن أن تصل الحالة الصلبة للفيلم الرقيق إلى 45000 دورة في المستقبل، ويمكن أن يصل العمر الافتراضي 5C في المختبر إلى 10000 مرة. عندما يمكن تقارب تكلفة الإنتاج لنفس كثافة الطاقة، فإن فعالية تكلفة بطاريات الحالة الصلبة لا مثيل لها.
مقارنة 4 الشوارد الصلبة غير العضوية
يمكن تقسيم أنواع المواد من الشوارد الصلبة إلى أربع فئات: الأكاسيد والكبريتيدات والبوليمرات والهاليدات. يتمتع كل نوع من هذه الأنواع الأربعة من الإلكتروليتات بخصائص فيزيائية وكيميائية مختلفة، مما يحدد مدى صعوبة البحث والتطوير والإنتاج والتصنيع وموقعها في السوق المستقبلي.
أكسيد الإلكتروليتات:
المزايا: الموصلية الأيونية في المنتصف، ولها أفضل استقرار كهروكيميائي، واستقرار ميكانيكي واستقرار حراري. يمكن تكييفه مع مواد الكاثود ذات الجهد العالي وأنودات الليثيوم المعدنية. الموصلية الإلكترونية الممتازة والانتقائية الأيونية. وفي الوقت نفسه، فإن درجة استمرارية المعدات وتكلفة التصنيع لها أيضًا مزايا كبيرة. القدرة الشاملة هي الأكثر شمولا.
العيوب: ثبات التخفيض منخفض قليلاً، وهش، وقد يسبب تشققات.
تتمتع إلكتروليتات الأكسيد بقوة ميكانيكية عالية واستقرار حراري وهوائي جيد ونوافذ كهروكيميائية واسعة. يمكن تقسيم إلكتروليتات الأكسيد إلى حالات بلورية وغير متبلورة. تشمل إلكتروليتات الأكسيد البلورية الشائعة نوع البيروفسكايت ونوع LISICON ونوع NASICON ونوع العقيق. يمكن أن تتحمل إلكتروليتات الأكسيد الفولتية العالية، ولها درجات حرارة تحلل عالية، ولها قوة ميكانيكية جيدة. ومع ذلك، فإن الموصلية الأيونية في درجة حرارة الغرفة منخفضة (<10-4 S/cm), it has poor contact with the solid-solid interface of the positive and negative electrodes, and it is usually thick (>200 ميكرومتر)، مما يقلل بشكل كبير من كثافة طاقة حجم البطارية. من خلال تطعيم العناصر وتعديل حدود الحبوب، يمكن زيادة موصلية إلكتروليتات الأكسيد في درجة حرارة الغرفة إلى حدود 10-3 سم/سم. يمكن أن يؤدي التحكم في حجم البلورة وإضافة طبقات بوليمر إلى تحسين الاتصال البيني بين المنحل بالكهرباء الأكسيد والأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة. يمكن إنتاج أغشية الإلكتروليت الصلبة فائقة الرقة عن طريق طرق الطلاء بالمحلول/الملاط.
المنحل بالكهرباء كبريتيد:
المزايا: أعلى موصلية أيونية، ومقاومة حدود الحبوب الصغيرة، وليونة جيدة، وانتقائية جيدة للأيونات.
العيوب: ضعف الاستقرار الكيميائي، سوف يتفاعل مع معدن الليثيوم، ويتفاعل بسهولة مع الهواء الرطب. التكلفة أعلى والخواص الميكانيكية سيئة. في الوقت الحاضر، لا يزال الإنتاج بحاجة إلى أن يتم في صندوق القفازات، مما يجعل من الصعب الإنتاج بكميات كبيرة على نطاق واسع.
تتمتع إلكتروليتات الكبريتيد بموصلية عالية لدرجة حرارة الغرفة وليونة جيدة، ويمكن تحسين ثباتها من خلال التطعيم والطلاء. تتوفر إلكتروليتات الكبريتيد حاليًا في ثلاثة أشكال رئيسية: الزجاج والسيراميك الزجاجي والبلورات. تتمتع إلكتروليتات الكبريتيد بموصلية عالية في درجة حرارة الغرفة، والتي يمكن أن تكون قريبة من تلك الخاصة بالإلكتروليتات السائلة (10-4-10-2 S/cm)، والصلابة المعتدلة، والاتصال الجسدي الجيد للواجهة، والخواص الميكانيكية الجيدة. إنها مواد مرشحة مهمة لبطاريات الحالة الصلبة. ومع ذلك، تحتوي إلكتروليتات الكبريتيد على نافذة كهروكيميائية ضيقة، واستقرار واجهة ضعيف مع الأقطاب الكهربائية الإيجابية والسلبية، كما أنها حساسة جدًا للرطوبة. يمكن أن يتفاعل مع كميات ضئيلة من الماء في الهواء ويطلق غاز كبريتيد الهيدروجين السام. الإنتاج والنقل والتجهيز لها متطلبات بيئية عالية جدًا. يمكن لطرق التعديل مثل التطعيم والطلاء تثبيت الواجهة بين الكبريتيد والأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة، مما يجعلها مناسبة لأنواع مختلفة من مواد الأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة، وحتى استخدامها في بطاريات الليثيوم والكبريت.
إن تحضير بطاريات إلكتروليت الكبريتيد له متطلبات بيئية عالية. تتمتع إلكتروليتات الكبريتيد بموصلية عالية وهي ناعمة نسبيًا، ويمكن إنتاجها عن طريق طرق الطلاء. لا تختلف عملية الإنتاج كثيرًا عن عملية إنتاج البطاريات السائلة الحالية، ولكن من أجل تحسين ملامسة واجهة البطارية، عادةً ما يكون من الضروري إجراء عدة ضغطات ساخنة بعد الطلاء وإضافة طبقة عازلة لتحسين ملامسة الواجهة. تعتبر إلكتروليتات الكبريتيد حساسة للغاية للرطوبة ويمكن أن تتفاعل مع كميات ضئيلة من الماء في الهواء لتوليد غاز كبريتيد الهيدروجين السام، وبالتالي فإن المتطلبات البيئية لتصنيع البطاريات مرتفعة للغاية.
المنحل بالكهرباء البوليمر:
المزايا: سلامة جيدة، مرونة جيدة واتصال واجهة، من السهل تشكيل الفيلم.
العيوب: الموصلية الأيونية منخفضة جدًا في درجة حرارة الغرفة والاستقرار الحراري ضعيف.
إنها مرنة وسهلة المعالجة، ويمكن تحسين الموصلية من خلال الربط المتبادل، والمزج، والتطعيم، وإضافة الملدنات. تشمل ركائز البوليمر الرئيسية المستخدمة في إلكتروليتات البوليمر PEO، وPAN، وPVDF، وPA، وPEC، وPPC، وما إلى ذلك. وتشمل أملاح الليثيوم الرئيسية المستخدمة LiPF6، وLiFSI، وLiTFSI، وما إلى ذلك. كما أن إلكتروليتات البوليمر سهلة التحضير، وتتمتع بمرونة جيدة وقابلية معالجة، ويمكن استخدامها في المنتجات الإلكترونية المرنة أو البطاريات ذات الأشكال غير التقليدية. لديها اتصال جسدي جيد مع الأقطاب الكهربائية الإيجابية والسلبية، والعملية قريبة نسبيا من بطاريات الليثيوم الموجودة. ويمكن استخدامه بسهولة في الإنتاج الضخم للبطاريات من خلال تحويل المعدات الموجودة. ومع ذلك، فإن الموصلية الأيونية في درجة حرارة الغرفة للإلكتروليتات البوليمرية منخفضة جدًا بشكل عام (<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.
هاليد بالكهرباء:
المزايا: مقاومة إلكترونية منخفضة، انتقائية عالية للأيونات، ثبات عالي في التخفيض، وليس من السهل التشقق.
العيوب: لا يزال في مرحلة المختبر، ولديه استقرار كيميائي ضعيف واستقرار تأكسد، ولديه مقاومة أيونية عالية.
ونظرًا للمزايا والعيوب البارزة للهاليدات والبوليمرات، فإن المنافسة العالمية المستقبلية لبطاريات الحالة الصلبة ستركز بشكل أساسي على الأكاسيد والكبريتيدات. في الواقع، نظرًا لضعف استقرارها الكيميائي، فإن أنواع المواد التي يمكن اختيارها لإلكتروليتات الكبريتيد ضيقة جدًا، ولكن طالما تم العثور على مواد مناسبة واختراقات عملية، يمكن تعويض هذا النقص.
ومع ذلك، من منظور التصنيع، ستؤدي العمليات المعقدة إلى ارتفاع التكاليف وسقف النطاق، لذا فإن الشوارد الصلبة للأكسيد هي حاليًا الاتجاه السائد في تطوير بطاريات الحالة الصلبة. من البطاريات السائلة إلى البطاريات الصلبة، ستكون هناك مرحلة البطاريات شبه الصلبة، والأكثر ملاءمة في هذه المرحلة هو مسار الأكسيد. وذلك بسبب أدائها الشامل ومزايا التكلفة. يمكن لبطاريات الحالة الصلبة أن تحل محل البطاريات السائلة الحالية بسرعة أكبر، مع الاستفادة تدريجياً من مزايا بطاريات الحالة الصلبة وفعاليتها من حيث التكلفة.
ومع ذلك، مع تقدم التكنولوجيا، لا يزال من غير الواضح ما إذا كانت الأكاسيد أو الكبريتيدات ستهيمن على العالم في المستقبل. جوهر تكنولوجيا بطاريات الحالة الصلبة هو البحث والتطوير للإلكتروليتات ذات الحالة الصلبة. على الرغم من أن المواد الصلبة الحالية قد حققت تقدمًا كبيرًا، إلا أنها لا تزال تعاني من مشاكل مثل ضعف التوصيل، ومقاومة الواجهة الكبيرة، وتكاليف الإعداد المرتفعة. هناك حاجة إلى استمرار البحوث الأساسية والاختراقات التكنولوجية لتحسين الموصلية واستقرار الشوارد الصلبة.
