Yleiskatsaus
Solid State Litium Ion -paristot ovat nouseva akkutekniikka, jolla on useita merkittäviä etuja perinteisiin nestemäisiin litium-ioni-akkuihin verrattuna. Tämä tekee myös kiinteän tilan litium-ioni-akkuista, joita pidetään seuraavan sukupolven akkutekniikkana. Vaikka kiinteän tilan litium -ioni -akkuilla on edelleen monia turvallisuuden parantamista koskevia alueita, tehoa, ja energiatiheys verrattuna nykyään edistyneimpiin litium-ioni-akkuihin, kuten luottaa korkealaatuisten kiinteiden elektrolyyttien löytämiseen ja levittämiseen tällä hetkellä käytettyjen nestemäisten liuosten korvaamiseksi.
Litium -akkuteollisuus kehittyy jatkuvasti, Tutkimuksen suorittaminen päivittäin kehittääkseen yhä korkeampaa innovatiivisia tekniikoita varmistaakseen, että tällä tuotteella on enemmän etäisyyttä, suurempaa tehoa, ja lyhyempi latausaika.
Tässä mielessä, Sid-State Battery Technology näyttää olevan viimeinen tekniikan raja, Ja tällä nousevalla ratkaisulla on suuri potentiaali tulla sähköajoneuvojen tulevaisuudeksi. Sillä on sarja valtavia etuja, mutta myös monia rajoituksia, jotka viivästyvät sen pääsyä markkinoille.
Mikä on kiinteän tilan litium -ioniakut?
Suora vastaus: Molemmat ovat litiumparistoja, Mutta se olisi parempi.
Heidän toimintaperiaatteensa ovat samat, Paitsi, että kiinteän tilan litiumpariston sisällä ei ole nestemäistä komponenttia. Perinteisissä litium-ioni-paristoissa, Elektrolyytti on nestettä. Se koostuu yleensä litiumsuoloista (kuten LIPF 6, Libf 4, tai liclo 4) Orgaanisiin liuottimiin liuenneen (kuten etyleenikarbonaatti, dimetyylikarbonaatti, jne.). Älypuhelimen parinnassa on nestemäinen komponentti, jota kutsutaan elektrolyytteiksi, joka antaa litiumionien virtaa vapaasti ja antaa laitteellesi virtaa latauksen jälkeen. Tämä johtaa myös ilmiöön, nimeltään nestemäinen vuoto, kun pudotat puhelimesi.
Solid -akku vs. litium -ioni: Paljastavat erot
Akun energian varastoinnin kehittämisessä, Kaksi suurta kilpailijaa kilpailevat ylimmästä sijainnista: solid-state-akut ja litium-ion-akut. Nämä tehokkaat paristot käyttävät kulutuselektroniikkaamme ja uusiutuvia energiaa. Syntymisen myötä solid-akku teknologiaa, akkuteollisuus on teknologinen vallankumous, haastaa litium-ioni-akkujen hallitseva sijainti.
Mutta mikä on keskeinen ero solid-state-paristojen ja litium-ion-akkujen välillä?
Kuten aiemmin mainittiin, Tärkein ero on niiden elektrolyyttikomppiminnassa, joka näkyy myös heidän nimistään. Lisäksi, Voimme oppia lisää. Se voidaan myös ymmärtää, Miksi tutkia kiinteän tilan litiumparistoja? Mitkä ovat sen edut?
Energiatiheys
Solid -state litiumioniparistot： Tämäntyyppinen akku voi pitää melkein kaksi kertaa enemmän energiaa kuin nestemäiset litium-ioni-akut, varsinkin kun vaihdetaan anodimateriaalit pienemmillä.
Litiumioniakku：Erilaisista kemiallisista raaka-aineista koostuvien litium-ioni-akkujen kapasiteetti voi vaihdella, Mutta verrattuna solid-state-akkuihin, niiden energiatiheys on alhaisempi.
Elektrolyyttimateriaali
Akun elektrolyytti on johtava kemiallinen seos, jonka avulla metalli -ionit voivat virtata anodin ja katodin välillä, tuloksena sähkökemiallisiin reaktioihin.
Suurin ero markkinoiden yleisten litium-ioni-akkujen ja solid-state-litiumparistojen välillä on, että entinen käyttää nestemäistä elektrolyyttiä virran säätelemiseen, Solid-State-paristot valitsevat kiinteän elektrolyytin.
Solid -state litiumioniparistot: Kiinteän elektrolyyttien käyttäminen nesteiden sijasta johtaa kevyempaan kokonaispainoon ja suurempaan energiatiheyteen. Tällä on myös joitain painohetuja joissain kuljetusmuodoissa.
Litiumioniakku: Sähkökemiallisia reaktioita esiintyy nestemäisissä elektrolyytteissä, aiheuttaen litiumioneja virtauksen katodin ja anodin välillä.
Litiumioniparistoilla on erilaiset kemialliset tyypit, ja niiden välillä on myös eroja. On LCO, LMO, LFP, NCA, LTO, ja niin edelleen. Voit lukea tämän artikkelin, jonka otsikko on ”6 Kemialliset litiumioniparistot, joista voit valita”Yksityiskohtaisemman ymmärryksen saaminen.
Litium -akun turvallisuus
Solid -state litiumparistot: Kiinteät elektrolyyttit vähentävät lämpöonnettomuuksien riskiä, tehdä niistä turvallisempia, Ei vain kuljetuksessa myös käytössä.
Litiumioniakku: Helppo kohdata turvallisuuskysymyksiä, kuten ylikuumeneminen, laajennus, ja tulen, aiheuttamalla suurempi riski kuin lyijyhampa-akut.
Kuinka kauan litiumakku kestää
Solid -state litiumparistot: Kiinteillä elektrolyytteillä on korkeampi stabiilisuus ja alhaisempi reaktiivisuus nesteisiin verrattuna, tuloksena suhteellisen pidempi käyttöikä.
Litiumioniakku: Akkua voidaan ladata kuinka monta kertaa on rajoitettu tietyllä alueella. Nestemäiset litium-ioni-akut ovat hiukan korkeammat lämpötilan vaatimukset, ja ympäristön lämpötila lataamiseen, purkaminen, ja käyttö on yleensä ilmoitettu. Sillä on lyhyempi elinikä verrattuna solid-state-akkuihin.
Solid-state-paristojen rakenne
Jokaisella litium-ioni-akulla on:
Kaksi elektrodia, jotka ovat yhdisteitä, jotka kykenevät hyväksymään niiden rakenteeseen upotettuja litiumioneja.
Katodi viittaa katodimateriaalista valmistetun akun positiiviseen elektrodiin, kuten LFP, NMC, LMO, jne.
Anodi viittaa anodimateriaalista valmistetun akun negatiiviseen elektrodiin (kuten ei -aktiiviset aineet, kuten hiili tai grafiitti).
Keskeinen osio, joka on ohut kerros, joka on valmistettu muovipolymeeristä (polyeteeni tai polypropeeni), toimii osiona anodin ja katodin välillä, sekä eriste.
Elektrolyytti: väliaine ioniliikkeelle; Orgaaniset nesteet, jotka sisältävät litiumsuoloja. Elektrolyytti täyttää koko äänenvoimakkuuden akun sisällä, upottaa elektrodit, ja sallii litiumionien liikkua.
Olemassa olevissa litium-ioni-paristoissa, Erottimen päätehtävä on eristys, Mutta sillä ei ole muita toimintoja. Se on täysin kyllästetty nestemäisellä elektrolyyttillä. Anodi on yleensä valmistettu grafiitista, ja litiumioulit liikkuvat elektrolyytin läpi ja asetetaan anodin ja katodin kiderakenteisiin. Näissä rakenteissa on sisällä aukkoja, joihin mahtuu erittäin pieniä litiumionipartikkeleita.
kuitenkin, Kiinteän tilan paristojen sisäinen rakenne on erilainen, koska kaikki sen komponentit ja väliaineet ovat kiinteitä.
Kiinteän tilan akut koostuvat seuraavista komponenteista:
Anodi: Valmistettu litiummetallista (puhdas litium).
Katodi: Valmistettu samasta yhdisteestä kuin litium-ioni-akut (kuten LFP, NMC, LMO, jne.).
Kalvo, yleensä keraaminen tai kiinteä polymeeri, käytetään myös elektrolyyttinä.
Keskellä oleva harmaa kerros on kiinteä erotin, joka ei toimi vain erottimena anodin ja katodin välillä, mutta myös elektrolyytti.
Siksi, Se on sekä väliaine ionin liikkeelle että sillä on sähköeristysfunktio, Toimiminen mekaanisena kalvona anodin ja katodin välillä. Tämä tukeva ja kestävä tuki voi poistaa anodin grafiittirakenteen, varmistaa, että litiummetalli kertyy suoraan anodiin. Lisäksi, On joitain puoliksi kiinteitä ratkaisuja, jossa elektrolyytti on geeli, kuten aine.
Voidaan nähdä, että solid-state-paristojen käsite on parempi elektrolyyttien ja erottimien tilan ja materiaalien levityksen suhteen.
Kuinka solid -state -litiumioniparistot toimivat?
Kiinteän state-paristojen toimintaperiaate on hyvin samanlainen kuin perinteiset litium-ion-akut, Paitsi, että ne käyttävät kiinteitä elektrolyyttejä nestemäisten elektrolyyttien sijasta, jonka läpi litiumioonit virtaus. Suurin etu tämän tekemisessä on, että kiinteän tilan paristoissa ei ole kaikkia nestemäisten elektrolyyttien turvallisuusriskejä.
Mutta operaation perusperiaate on sama. Solid-state-paristoissa, Puhdas litium kerääntyy akun positiiviseen elektrodiin, ja virtaa sitten negatiivisesta elektrodista positiiviseen elektrodiin purkauksen aikana, Kerääntyminen metallimuotoon sen sijaan. Tämä ominaisuus ei vain tee paristosta turvallisempaa, mutta säästää myös paljon tilaa.
Mitkä ovat kiinteiden akkujen edut?
Tuotekoko
Perinteisten litium-ioni-akkujen erottimet ovat korvanneet erottimet solid-state-elektrolyyttit, Vie vähemmän tilaa ja tekee niistä kevyempiä kuin tavalliset litium-ion-akut. Teknologian läpimurto on potentiaali soveltaa kenttiin, kuten lentokoneisiin ja kuorma -autoihin kuljetukseen.
Akkupaino
Litium on kevyin metallielementti, joka mahdollistaa litiummetallien anodit kiinteän tilan paristoissa suuremman energiatiheyden aikaansaamiseksi pienemmissä paketeissa. Tällä tavalla, Kiinteän tilan paristoista on tullut kevyt vaihtoehto.
Esimerkiksi, Koska sähköajoneuvot kasvavat edelleen kooltaan, Vaadittava akun kapasiteetti kasvaa myös aluetietojen ylläpitämiseksi, joka tuo myös lisääntyneen painon ongelman. Koska lisääntynyt paino johtaa lisääntyneeseen renkaan kulumiseen, mikä johtaa enemmän hiukkasten epäpuhtauksiin. Siksi, Sähköajoneuvojen painon vähentäminen ja niiden akut eivät vain auta vähentämään pakokaasupäästöjä, mutta vähentää myös renkaiden kulumista ja hiukkasten vapautumista. Solid State -akkut voivat tarjota sille erinomaisia perusvaatimuksia.
Turvallisuus ja käytön kesto
Litiumioniparistot sisältävät haihtuvia ja syttyviä nestemäisiä elektrolyyttejä, jotka aiheuttavat tulen riskin. Solid -state -akut, toisaalta, voi kestää korkeampia lämpötiloja ja niillä on voimakkaampi lämpöstabiilisuus, tekeminen he ovat turvallisempia.
Pienemmän koon ja korkeamman energiatiheyden vuoksi, Solid-State-akut voivat säilyttää enemmän energiaa pienemmässä tilassa, mikä tarkoittaa, että niiden käyttö voi parantaa akun käyttöikää.
Valmistaja väittää, että heidän sähköajoneuvonsa voi kulkea 745 Miles yhdellä latauksella.
Latausnopeuden suhteen, Kiinteän tilan paristot ovat myös erinomaisia. Sähköajoneuvojen litiumioni -akut tyypillisesti ottavat 20 pöytäkirjat 12 Tunnit lataamiseen, Vaikka kiinteän tilan paristot voidaan ladata ainakin 80% heidän kykynsä vain 10 to 15 minuuttia.
Kiinteän staten paristojen käyttöikä on myös pidempi ja ne voidaan ladata 5 kertaa enemmän kuin litium-ioni-akut, siten pidentäen akun yleistä käyttöikää. Tietojen vertailu osoittaa, että kiinteän tilan litiumparistot ovat parempia.
Vähennä hiilijalanjälkeä
Kiinteän tilan akut käyttävät vähemmän materiaaleja ja voivat vähentää ilmastovaikutuksia 39% Verrattuna litium-ioni-akkuihin. Tämä tarkoittaa, että se on myös ympäristöystävällisempi ja hiilen neutraalisuuden kehityskonseptin mukainen.
Nopea lataus
Viimeisimmässä tutkimuksessa on havaittu, että Pohko-akkujen latausnopeus on kuusi kertaa nopeampi kuin olemassa oleva litium-ionin lataustekniikka. Mutta tämän nopeuden saavuttamiseksi, Jotkut muut keskeiset suoritusindikaattorit voidaan uhrata, Joten tarvitaan lisäoptimointia.
kuitenkin, Voidaan vahvistaa, että nestemäiset elektrolyyttit ovat alttiita vaurioille korkeissa lämpötiloissa, kun taas kiinteät elektrolyytit toimivat paremmin korkeissa lämpötiloissa. Tämä tarkoittaa, että kiinteän tilan paristot voivat paremmin toimia nopean latauksen ja lämmöntuotannon aikana, ja voidaan myös katsoa olevan menettämättä omaa suorituskykyään lämmöntuotannon suhteen.
Miksi tarvitsemme niitä?
Ottamalla käyttöön solid -state -litiumioniparistot, Sid -State -akun ja litiumioni -akun välisten erojen analyysi, ja kiinteän tilan akun edut, Olemme saaneet kattavan ymmärryksen.
Miksi tarvitsemme niitä?
Perinteisillä nestemäisten elektrolyyttilitiumparistojen on oltava huomattava tilavuus suurten laitteiden, kuten autojen, virtaan. Ja näillä akkuilla on turvallisuusriskejä, Ne voivat laajentua lämpötilan muutosten tai vuotojen takia, kun ne altistuvat liialliselle puristukselle. On huomattava, että sisällä oleva neste on syttyvä.
Jokainen on kokenut ”matkapuhelinparistojen alhaisten” ahdistuksen ja ymmärtävät, että akun käyttöikää käytön aikana on myös tekijä.
Vaikka perinteinen litiumioniakut ovat parantuneet aikaisempiin paristoihin verrattuna, Heillä on edelleen puutteita näiden kysymysten käsittelyssä. Hidas latausnopeus ja rajoitettu elinaika saavat ne toimimaan huonosti monissa sovelluksissa.
Ja solid-state-akut ratkaisevat vähitellen näitä ongelmia. Niiden tilavuus on pienempi, mutta suurempi kapasiteetti, kevyempi paino, ja korkeampi turvallisuus. Latausnopeus on nopeampi ja elinikä on pidempi, Joten se voi suuresti kompensoida perinteisten litiumparistojen puutteet. Siksi tarvitsemme niitä myös.
Milloin Will me pystyä näkemään kiinteän tilan litiumioniparistot
Solid State -tekniikkaa on käytetty pieninä määrinä seuraavilla aloilla:
Paristot, jotka sopivat työskentelemään sopivissa ilmastoissa
Ilmailu-
Puoli kiinteä tai kiinteä hybridi -akku.
Kiinalainen autoyhtiö 50 Autot, jotka on varustettu puoliksi vakaan tilan paristoilla
Mutta kiinteän tilan akkuja on edelleen kehitteillä, Ja on vielä joitain haasteita, jotka voitetaan, jotta niitä voidaan levittää kaupallisesti suuressa mittakaavassa.
Kustannus
Nykyisessä, Kiinteän tilan paristojen tuotantokustannukset ovat korkeammat kuin tavallisten litium-ioni-akkujen, koska ne käyttävät kalliimpia materiaaleja ja tuotantoprosessi on monimutkaisempi. Yleensä, Kypsät markkinatekniikat on optimoitu ennen niiden ottamista käyttöön, Joten tämä on edelleen jatkuva prosessi.
Upottaa
Suurin osa solid-state-akkujen kehityksestä on edelleen laboratoriovaiheessa, ja solid-state-akkuja pidetään turvallisempina kuin perinteiset akut. kuitenkin, Litiummetallineulan aiheuttama oikosulun riski, kuten kasvu, on vielä tutkittava ja ratkaistava kiireellisesti. sillä välin, Kuinka laajentaa tuotantoasteikkoa on myös jatkuva tutkimusaihe.
Stabiilisuusongelmat
Kiinteän tilan akut ovat kuin hengitys lataus- ja purkamisprosessin aikana. Litiummetallianodit tulevat paksummiksi latauksen aikana ja ohuempi purkautumisen aikana. Pääkysymys on siinä, kuinka ylläpitää sekä kiinteää että pakattua tilaa samanaikaisesti.
Akun on pysyttävä painetta varmistaakseen, että sisäiset kerrokset eivät erota, mutta yksinkertaisesti sen kiinnittäminen ulkokuoreen ei riitä, Koska akku vaatii joustavaa venytettavuutta ”hengittäessäsi”.
Siksi, on välttämätöntä suunnitella monimutkainen mekaaninen rakenne. Jousien käyttö kaikkien komponenttien joustavuuden ylläpitämiseksi puristuksen aikana, Mutta tämä mekaaninen järjestelmä on monimutkainen ja kallis, Massatuotannon vaikeuttaminen.
Kiinteän tilan paristojen koostumuksen vuoksi, Laajennusta ei voida välttää kokonaan. Suorittamalla tutkimusta paineen kysynnän vähentämiseksi, Paristot voivat ylläpitää vakautta alemmissa paineissa tai käyttää edistyneempiä materiaaleja kysynnän tyydyttämiseen. Tämä on avain suunta tulevalle teknologiselle kehitykselle.
Erottimet ja lämpötila
Ionit ovat aineita, jotka ovat tosiasiallisesti varautuneita atomeja, helpottaa niiden liikkumista nesteissä. Sallia ionien liikkua vapaasti kiinteissä aineissa, erottimet (kuten keraamiset erottimet) on oltava erityisiä komponentteja. Nykyisessä, Meillä on joitain korkean suorituskyvyn kiinteitä elektrolyyttejä, Mutta nämä elektrolyyttit eivät toimi hyvin huoneenlämpötilassa. Heistä voi tulla vain hyviä kapellimestareita yllä olevissa lämpötiloissa 50 celsiusastetta.
Tämä asettaa rajoituksia kiinteän tilan paristojen käytännön levittämiselle, Koska ajoneuvot eivät pysty ylläpitämään korkeita lämpötiloja määräämättömäksi ajaksi.
Kun solid-state-akkujen lämpötila ei ole korkea, Heidän suorituksensa vähenee merkittävästi. Siksi, Tarvitaan lisätutkimuksia sen varmistamiseksi, Pohja-akkujen käyttämiseksi käytännöllisemmissä sovelluksissa.
Tutkimus ja kehitys kiinteiden akkujen alalla etenevät nopeasti, Ja monet asiantuntijat uskovat, että solid-state-paristoista tulee lopulta standardi sellaisilla alueilla, kuten sähköajoneuvoilla.
Johtopäätös
Monet akkuteollisuuden valmistajat ovat kiinnostuneita tästä lupaavasta tekniikasta, kuten Mercedes Benz, Volkswagen, Toyota, Tesla, jne., ja he sijoittavat merkittäviä resursseja tutkimukseen ja kehitykseen. Jos tekniset ongelmat ratkaistaan, Heistä tulee markkinoilla ensimmäiset ihmiset ja he pitävät siten diskurssia. Ja sen odotetaan käynnistyvän välillä 2024 ja 2026, joka on erittäin odotettu ja kannattaa kiinnittää huomiota.
