Solid-state baterije: put za baterije sljedeće generacije

Solid-state baterije: put za baterije sljedeće generacije

Dana 14. svibnja, prema "The Korea Timesu" i drugim medijskim izvješćima, Samsung planira surađivati ​​s Hyundaijem na razvoju električnih vozila i opskrbi baterijama i drugim povezanim automobilskim dijelovima za električna vozila Hyundai. Mediji predviđaju da će Samsung i Hyundai uskoro potpisati neobvezujući memorandum o razumijevanju o opskrbi baterijama. Izvještava se da je Samsung predstavio svoju najnoviju solid-state bateriju Hyundaiju.

Prema Samsungu, kada je njegova prototipna baterija potpuno napunjena, može omogućiti električnom automobilu da vozi više od 800 kilometara odjednom, s životnim ciklusom baterije od više od 1,000 puta. Njegov volumen je 50% manji od litij-ionske baterije istog kapaciteta. Iz tog razloga se solid-state baterije smatraju najprikladnijim akumulatorima za električna vozila u sljedećih deset godina.

Početkom ožujka 2020. Samsung Institute for Advanced Study (SAIT) i Samsung Research Center of Japan (SRJ) objavili su "Visokoenergetske dugotrajne litij-metalne baterije koje omogućuje srebro" u časopisu "Nature Energy". -Ugljične kompozitne anode" predstavili su svoj najnoviji razvoj u području čvrstih baterija.

Ova baterija koristi čvrsti elektrolit, koji nije zapaljiv na visokim temperaturama, a također može inhibirati rast litijevih dendrita kako bi se izbjegli kratki spojevi. Osim toga, koristi kompozitni sloj srebra i ugljika (Ag-C) kao anodu, koji može povećati gustoću energije na 900 Wh/L, ima dug životni vijek od više od 1000 ciklusa i vrlo visoku kulombičku učinkovitost (punjenje i učinkovitosti pražnjenja) od 99.8%. Može pokretati bateriju nakon jedne uplate. Automobil je prešao 800 kilometara.

Međutim, SAIT i SRJ koji su objavili rad su znanstveno-istraživačke institucije, a ne Samsung SDI, koji se fokusira na tehnologiju. Članak samo pojašnjava princip, strukturu i performanse nove baterije. Preliminarno se procjenjuje da je baterija još uvijek u laboratorijskoj fazi i da će biti teško za masovnu proizvodnju u kratkom razdoblju.

Razlika između čvrstih baterija i tradicionalnih tekućih litij-ionskih baterija je u tome što se umjesto elektrolita i separatora koriste čvrsti elektroliti. Nije potrebno koristiti litij interkalirane grafitne anode. Umjesto toga, metalni litij se koristi kao anoda, što smanjuje broj anodnih materijala. Baterije za napajanje s većom gustoćom energije tijela (>350Wh/kg) i duljim vijekom trajanja (>5000 ciklusa), kao i posebnim funkcijama (kao što je fleksibilnost) i drugim zahtjevima.

Nove baterije sustava uključuju solid-state baterije, litij protočne baterije i metalno-zračne baterije. Tri solid-state baterije imaju svoje prednosti. Polimeri elektroliti su organski elektroliti, a oksidi i sulfidi su anorganski keramički elektroliti.

Promatrajući svjetske tvrtke s solid-state baterijama, postoje start-upovi, a postoje i međunarodni proizvođači. Tvrtke su same u sustavu elektrolita s različitim uvjerenjima i nema trenda protoka tehnologije ili integracije. Trenutačno su neki tehnički pravci bliski uvjetima industrijalizacije, a u tijeku je i put do automatizacije čvrstih baterija.

Europske i američke tvrtke preferiraju polimerne i oksidne sustave. Francuska tvrtka Bolloré preuzela je vodstvo u komercijalizaciji solid-state baterija na bazi polimera. U prosincu 2011. njegova električna vozila napajana 30kwh čvrstim polimernim baterijama + električni dvoslojni kondenzatori ušla su na zajedničko tržište automobila, što je bilo prvi put u svijetu. Komercijalne solid-state baterije za EV.

Sakti3, proizvođača tankoslojnih oksidnih solid-state baterija, kupio je britanski gigant kućanskih aparata Dyson 2015. Podložan je troškovima pripreme tankog filma i poteškoćama proizvodnje velikih razmjera, a nije bilo masovne proizvodni proizvod dugo vremena.

Maxwellov plan za solid-state baterije je prvo ući na tržište malih baterija, masovno ih proizvoditi 2020. i koristiti ih u području skladištenja energije 2022. Radi brze komercijalne primjene, Maxwell bi mogao prvo razmisliti o pokušaju polu- solidne baterije u kratkom roku. Ipak, polukrute baterije su skuplje i prvenstveno se koriste u određenim područjima potražnje, što otežava primjenu velikih razmjera.

Proizvodi od oksida bez tankog filma imaju izvrsne ukupne performanse i trenutno su popularni u razvoju. I Taiwan Huineng i Jiangsu Qingdao dobro su poznati igrači na ovoj stazi.

Japanske i korejske tvrtke više su posvećene rješavanju problema industrijalizacije sulfidnog sustava. Predstavničke tvrtke kao što su Toyota i Samsung ubrzale su svoju implementaciju. Sulfidne krute baterije (litij-sumporne baterije) imaju kolosalan razvojni potencijal zbog svoje visoke gustoće energije i niske cijene. Među njima je Toyotina tehnologija najnaprednija. Izdao je Demo baterije na razini ampera i elektrokemijske performanse. Istodobno su također koristili LGPS s višom vodljivošću sobne temperature kao elektrolit za pripremu većeg paketa baterija.

Japan je pokrenuo nacionalni program istraživanja i razvoja. Najperspektivniji savez je Toyota i Panasonic (Toyota ima gotovo 300 inženjera uključenih u razvoj solid-state baterija). Rečeno je da će komercijalizirati solid-state baterije u roku od pet godina.

Plan komercijalizacije potpuno poluprovodničkih baterija koji su razvili Toyota i NEDO započinje razvojem potpuno čvrstih baterija (baterije prve generacije) koristeći postojeće LIB optimistične i štetne materijale. Nakon toga će koristiti nove pozitivne i negativne materijale za povećanje gustoće energije (baterije sljedeće generacije). Očekuje se da će Toyota proizvesti prototipove poluprovodničkih električnih vozila 2022. godine, a 2025. će koristiti solid-state baterije u nekim modelima. 2030. gustoća energije može doseći 500 Wh/kg kako bi se postigla masovna proizvodnja.

Iz perspektive patenata, među 20 najboljih podnositelja patentnih zahtjeva za poluprovodničke litijeve baterije, japanske tvrtke čine 11. Toyota se prijavila najviše, dosegnuvši 1,709, što je 2.2 puta više od drugog Panasonica. Prvih 10 tvrtki su japanske i južnokorejske, uključujući 8 u Japanu i 2 u Južnoj Koreji.

Iz perspektive globalnog rasporeda patenata nositelja patenta, Japan, Sjedinjene Države, Kina, Južna Koreja i Europa ključne su zemlje ili regije. Uz lokalne prijave, Toyota ima najznačajniji broj prijava u Sjedinjenim Državama i Kini, što čini 14.7% odnosno 12.9% ukupnih prijava patenata.

Industrijalizacija solid-state baterija u mojoj zemlji također je pod stalnim istraživanjem. Prema kineskom tehničkom planu rute, 2020. će postupno realizirati čvrsti elektrolit, visoko specifičnu energetsku sintezu katodnog materijala i trodimenzionalnu strukturu okvira od litijeve legure. Prepoznat će proizvodnju uzoraka jedne baterije malog kapaciteta od 300 Wh/kg. U 2025., tehnologija upravljanja sučeljem solid-state baterije ostvarit će 400Wh/kg jednostruku bateriju velikog kapaciteta i tehnologiju grupe. Očekuje se da se čvrste baterije i litij-sumporne baterije mogu masovno proizvoditi i promovirati 2030. godine.

Baterije sljedeće generacije u IPO projektu prikupljanja sredstava CATL-a uključuju solid-state baterije. Prema izvješćima NE Timesa, CATL očekuje da će postići masovnu proizvodnju solid-state baterija do najmanje 2025. godine.

U cjelini, tehnologija polimernog sustava je najzrelija i rođen je prvi proizvod na razini EV. Njegova konceptualna i usmjerena priroda potaknula je ubrzanje ulaganja u istraživanje i razvoj od strane onih koji su kasnili, ali gornja granica učinkovitosti ograničava rast, a miješanje s anorganskim čvrstim elektrolitima bit će moguće rješenje u budućnosti; oksidacija; U materijalnom sustavu razvoj tankoslojnih tipova usmjeren je na proširenje kapaciteta i proizvodnju velikih razmjera, a ukupna izvedba nefilmskih vrsta je bolja, što je u fokusu trenutnih istraživanja i razvoja; Sulfidni sustav je najperspektivniji sustav čvrstih baterija u području električnih vozila, ali u polariziranoj situaciji s ogromnim prostorom za rast i nezrelom tehnologijom, rješavanje sigurnosnih problema i problema sučelja u fokusu je budućnosti.

Izazovi s kojima se susreću solid-state baterije uglavnom uključuju:

• Smanjenje troškova.
• Poboljšanje sigurnosti čvrstih elektrolita.
• Održavanje kontakta između elektroda i elektrolita tijekom punjenja i pražnjenja.

Litij-sumporne baterije, litij-zračni i drugi sustavi trebaju zamijeniti cijeli okvir strukture baterije, a sve su značajniji problemi. Pozitivne i negativne elektrode solid-state baterija mogu nastaviti koristiti postojeći sustav, a teškoća realizacije je relativno mala. Kao tehnologija baterija sljedeće generacije, poluprovodničke baterije imaju veću sigurnost i gustoću energije i postat će jedini način u eri nakon litija.