Uuden energiateknologian voimakkaan kehityksen voimakkaan kehityksen nykyisessä aallossa kiinteän tilan akku, erittäin lupaavana seuraavan sukupolven akkutekniikkana, on herättänyt laajaa huomiota kaikilta elämänaloilta. Koska ihmisten elektronisten laitteiden kestävyyden ja sähköajoneuvojen kestävyyden vaatimukset kasvavat edelleen, ja niiden painottaminen akun turvallisuuden suorituskykyyn kasvavat päivä päivältä, kiinteän tilan akun odotetaan olevan erittäin odotettavissa monien perinteisten nestemäisten litium-ion-akkujen kipupisteiden suhteen turvallisuuden ja alueen suhteen. Ennen sen laajamittaista popularisointia ja sovellusta kuitenkin avainkysymys viipyy kuluttajien mielessä: Onko solid-state-akku turvallinen ja pystyy tarjoamaan pitkän kantaman? Tämän kysymykseen vastaamiseksi meidän on syventävä työmekanismia, teknisiä ominaisuuksia sekä kiinteän tilan paristojen nykyistä tutkimusta ja sovellustilaa.
Kiinteän tilan akun työperiaate ja rakenteelliset ominaisuudet
Ydinero solid-state-akun ja perinteisen nestemäisen litium-ioni-akun välillä on elektrolyytin muodossa. Perinteiset nestemäiset litium-ioni-akut käyttävät nestemäistä elektrolyyttiä lataus- ja purkamisprosessin saavuttamiseksi litiumionien liikkumisen kautta positiivisten ja negatiivisten elektrodien välillä. Sitä vastoin kiinteän tilan paristot hyödyntävät kiinteää elektrolyyttiä, joka on tyypillisesti valmistettu keraamisista, polymeereistä tai sulfidimateriaaleista. Kiinteän tilan paristoissa litiumioulit myös deintercalatoivat positiivisesta elektrodista lataamisen aikana ja interkaloivat negatiiviseen elektrodiin kiinteän elektrolyytin läpi; purkautumisen aikana ne liikkuvat vastakkaiseen suuntaan, kun taas elektronit virtaavat negatiivisesta elektrodista positiiviseen elektrodiin ulkoisen piirin läpi tuottaen virran laitteen virran virtaamiseksi.
Kiinteän elektrolyytin käyttö antaa kiinteän tilan akkuja, joilla on ainutlaatuiset rakenteelliset ominaisuudet. Verrattuna nestemäiseen elektrolyyttiin, joka vaatii erottimen positiivisten ja negatiivisten elektrodien välisen oikosulun estämiseksi, kiinteällä elektrolyyttillä itsellään on ionin johtavuuden ja elektrodin eristämisen kaksoisfunktiot, mikä tekee akun rakenteesta kompakti. Samaan aikaan kiinteä elektrolyytti on suurempi stabiilisuus ja se on vähemmän alttiita haihtumiseen ja vuotoihin, ja se on perustanut perustan akun turvallisuuden suorituskyvyn parantamiseksi.
Solid-state-akun turvallisuustehokkuus
Perinteiset nestemäiset litium-ioni-akut aiheuttavat lämpötilan lämpötilan riskin korkean lämpötilan olosuhteissa. Kun akun lämpötila ylittää tietyn kynnysarvon, kuten 80 asteen, nestemäinen elektrolyytti voi hajota tuottamaan syttyviä kaasuja ja akun sisällä olevat sivureaktiot lisääntyvät, mikä johtaa lämmön nopeaan kertymiseen ja lopulta akun saamiseen tai jopa räjähtämiseen. Saksan Tüv -testausviraston tiedot paljastavat selvästi tämän piilotetun vaaran.
Kiinteän tilan paristoilla on merkittäviä etuja lämpöstabiilisuudessa. Haihtuvien ja syttyvien nestekomponenttien puuttumisen vuoksi kiinteässä elektrolyytissä sen lämpöstabiilisuus on paljon korkeampi kuin nestemäisen elektrolyytin. Japanin uuden energia- ja teollisuusteknologian kehittämisjärjestön (NEDO) suorittama puhkaisutesti on vaikuttava: Kun teräsneula puhkaisee kiinteän tilan akun, akun lämpötila nousee vain 2 asteeseen, kun taas perinteinen nestemäinen litium-ioni-akku syttyy ja räjähtää vain 3 sekunnissa. Tämä kokeellinen tulos osoittaa visuaalisesti solid-state-akkujen erinomaisen turvallisuuden äärimmäisen mekaanisen väärinkäytön edessä.
Paperissa, jonka otsikko on "Ovatko solid-state-paristot turvallisempia kuin (nestemäinen) litium-ion-akkuja?" Tutkijat julkaisivat Scienceissä huhtikuussa 2022, tutkijat keskustelivat nestemäisten litium-ioni-akkujen lämmönvapautumis- ja lämpötilan noususta, puoliksi kiinteistä paristoista tietyllä määrällä elektrolyyttiä ja kaikki kiinteät tilat akut kolmen lämpötilan skenaarion alla. Tutkimuksessa havaittiin, että ulkoisen lämmityksen aiheuttamassa lämmön karkaavassa tilassa kaikki kiinteät tilan akut ylittävät puoliksi kiinteät ja nestemäiset litium-ioni-akut. Kiinteän elektrolyytin suuri tiheys koko kiinteän tilan paristoissa voi muodostaa tehokkaan kaasuesteen, joka estää litiumin välistä kosketusta negatiivisessa elektrodissa ja positiivisesta elektrodista vapautuvan hapen välillä. Tässä hypoteettisessa skenaariossa ei olisi merkittävää lämmön vapautumista.
Litium -dendriitin kasvun estäminen
Perinteisten nestemäisten litium-ioni-akkujen lataus- ja purkamisprosessin aikana litiumioonit voivat suoraan kiteytyä negatiivisen elektrodin pinnalle nopean lataamisen aikana muodostaen vaarallisia litium-dendriittejä. Litium -dendriittien kasvu ei vain johda akun kapasiteetin rappeutumiseen, vaan ne voivat myös puhkaisemaan erottimen, aiheuttaen oikosulun positiivisten ja negatiivisten elektrodien välillä ja laukaisee turvallisuustapahtuman. Tämän piilotetun vaaran paljastivat CATL: n insinöörit.
Kiinteän tilan paristot osoittavat potentiaalia estämään litium-dendriitin kasvua. Kiinteän elektrolyytin erityisrakenne ja ominaisuudet voivat tarjota yhtenäisemmän reitin litiumionien kulkeutumiseen vähentäen litium -dendriitin muodostumisen mahdollisuutta. Vaikka litium-dendriitin kasvun kokonaan eliminointi asettaa edelleen haasteita käytännön sovelluksissa, kiinteän tilan paristojen parannustrendi tässä suhteessa on ilmeinen verrattuna nestemäisiin litium-ioni-akkuihin.
Mahdolliset turvallisuusriskit
Huolimatta kiinteän tilan paristojen monista eduista turvallisuuden kannalta, ne eivät ole ehdottoman turvallisia. Tietyissä ääritapauksissa, kuten silloin, kun kiinteä elektrolyytti epäonnistuu tai litium-dendriitit tunkeutuvat kiinteään elektrolyyttiin aiheuttaen oikosulun, koko kiinteän tilan paristojen ja puoliksi kiinteiden paristojen turvallisuus ei ole parempi kuin nestemäisten litium-ion-akkujen. Wuhanin yliopiston kemian ja molekyylitieteiden korkeakoulun professori Ai Xinping huomauttaa, että väite, jonka mukaan kaikki kiinteät tilat akkuilla on sekä korkea energiatiheys että hyvä turvallisuus, liittyy todella käsitteelliseen käsityöhön. Koska jotkut kiinteiden tilan akkujen materiaalit voivat tuottaa myrkyllisiä kaasuja, kuten rikkivetyä onnettomuuden sattuessa, vaikka ne eivät polta suoraan ihmisiä, kuten perinteisiä akkuja, rikkivetykaasu on myrkyllinen ja voi aiheuttaa vakavia haittoja ihmiskeholle.
Kiinteän tilan akun potentiaali alueella
Teoriassa kiinteän tilan akkuilla on potentiaalia saavuttaa korkea energiatiheys, jonka odotetaan parantavan merkittävästi laitteiden kestävyyttä. Kiinteä elektrolyytti mahdollistaa puhtaan metallisen litiumin käytön negatiivisena elektrodina, mikä lisää merkittävästi energian varastointikapasiteettia tilavuusyksikköä kohti. Kiinan tiedeakatemian Qingdaon bioenergian ja bioprosessitekniikan instituutin kokeelliset tiedot osoittavat, että niiden solid-state-akunäytteiden energiatiheys on ylittänyt 500wh\/kg, kun taas Tesla-mallissa 3 käytetyn 21700 akun energiatiheys on vain 260wh\/kg.
Esimerkiksi sähköajoneuvojen ottaminen ajoalue on aina ollut kuluttajien huomion painopiste. Kunpeng-akku Cherystä, joka edustaa kiinteän tilan paristoja, aikoo saavuttaa 400 wh\/kg: n energiatiheyden vuonna 2024 ja nostaa se 600 wh\/kg: een vuonna 2025. Suunnitelman mukaan, kun massatuotanto vuonna 2027, puhtaan sähköajo-alueen odotetaan ylittävän 1500 km. Jos nämä tavoitteet saavutetaan, se lievittää suuresti sähköajoneuvojen käyttäjien ahdistusta.
Haasteet todellisella alueella
Laboratoriosta käytännöllisiin sovelluksiin kiinteän tilan paristot kuitenkin kohtaavat kuitenkin joitain haasteita alueen suhteen. Ensinnäkin kiinteän elektrolyytin ja elektrodien välinen rajapinnan impedanssi on suhteellisen näkyvä, mikä on samanlainen kuin moottoritiellä sijaitsevan tietullikeskuksen asettaminen, estäen litiumionien nopeaa voimansiirtoa ja vaikuttaen akun lataamiseen ja purkamiseen vaikuttaen siten haitallisesti alueelle. Toiseksi sulfidielektrolyytin kuolemaan johtava virhe, joka tuottaa erittäin myrkyllistä rikkivetyä altistettaessa vedelle, ei vain lisää turvallisuusriskejä akun tuotannon ja käytön aikana, vaan se asettaa myös vakavia haasteita akun stabiilisuudelle ja luotettavuudelle. Lisäksi kiinteän elektrolyyttikalvojen valmistuksen alhainen sato johtaa suuriin tuotantokustannuksiin suuressa mittakaavassa, rajoittaen kiinteän tilan akkujen laajalle levinnyttä ja epäsuorasti vaikuttavan prosessiin, jolla osoitetaan niiden pitkän kantaman etuja markkinoilla.
Johtopäätös ja näkymät
Yhteenvetona voidaan todeta, että solid-state-akut osoittavat merkittävän potentiaalin turvallisuuden ja etäisyyden suhteen. Turvallisuuden kannalta niiden lämpöstabiilisuusetuja ovat ilmeisiä, ja ne voivat tehokkaasti estää litium-dendriitin kasvua, mikä tekee niistä turvallisempia ja luotettavampia kuin perinteiset nestemäiset litium-ioni-akut useimmissa tapauksissa. Äärimmäisten tilanteiden, kuten kiinteän elektrolyytin vajaatoiminnan, edessä on kuitenkin tiettyjä turvallisuusriskiä. Alueen suhteen korkean energian tiheyden teoreettinen etu tarjoaa mahdollisuuden pitkään, ja jotkut kokeelliset tiedot ja yrityssuunnitelmat osoittavat myös lupaavat mahdollisuudet. Käytännöllisissä sovelluksissa esimerkiksi rajapinnan impedanssista, elektrolyyttivaurioista ja kustannuksista on kuitenkin tullut esteitä, jotka estävät niiden pitkän kantaman etujen täydellistä toteutumista.
Huolimatta lukuisista haasteista, kiinteän tilan akkuja pidetään edelleen tärkeänä kehityssuunnaksi seuraavan sukupolven akkutekniikoille.