Panoramica
Le batterie agli ioni di litio a stato solido sono una tecnologia di batteria emergente che presenta diversi vantaggi rispetto alle tradizionali batterie a ioni di litio liquido. Ciò produce anche batterie agli ioni di litio a stato solido considerati come la prossima generazione di tecnologia della batteria. Sebbene le batterie a stato di litio a stato solido abbiano ancora molte aree di miglioramento in termini di sicurezza, energia, e densità di energia rispetto alle batterie agli ioni di litio più avanzate disponibili oggi, come fare affidamento sulla scoperta e l'applicazione di elettroliti solidi di alta qualità per sostituire le soluzioni liquide attualmente utilizzate.
L'industria delle batterie al litio si sviluppa costantemente, condurre ricerche ogni giorno per sviluppare tecnologie innovative sempre più ad alte prestazioni per garantire che questo prodotto abbia più gamma, maggiore potere, e tempi di ricarica più brevi.
In questo senso, La tecnologia a batteria a stato solido sembra essere l'ultima frontiera della tecnologia, E questa soluzione emergente ha un grande potenziale per diventare il futuro dei veicoli elettrici. Ha una serie di enormi vantaggi, ma anche molte limitazioni che stanno ritardando la sua entrata nel mercato.
Cos'è una batterie a ioni di litio a stato solido?
Risposta diretta: Entrambi sono batterie al litio, Ma sarebbe meglio.
I loro principi di lavoro sono gli stessi, Tranne il fatto che non esiste un componente liquido all'interno della batteria al litio a stato solido. Nelle tradizionali batterie agli ioni di litio, L'elettrolita è liquido. È generalmente composto da sali di litio (come Lipf 6, Libf 4, o liclo 4) sciolto in solventi organici (come carbonato di etilene, dimetil carbonato, eccetera.). C'è un componente liquido chiamato elettrolita nella batteria di uno smartphone, che consente agli ioni al litio di fluire liberamente e fornire energia al dispositivo dopo la carica. Questo porta anche a un fenomeno chiamato perdita di liquido quando lasci cadere il telefono.
Batteria a stato solido vs litio ione: Rivelando differenze
Nello sviluppo dello stoccaggio dell'energia della batteria, Due principali concorrenti sono in lizza per la massima posizione: batterie a stato solido e batterie agli ioni di litio. Queste potenti batterie alimentano i nostri sistemi di elettronica di consumo e energie rinnovabili. Con l'emergere di Batteria a stato solido tecnologia, L'industria delle batterie sta subendo una rivoluzione tecnologica, sfidando la posizione dominante delle batterie agli ioni di litio.
Ma qual è la differenza chiave tra batterie a stato solido e batterie agli ioni di litio?
Come accennato in precedenza, La differenza principale risiede nella loro composizione dell'elettrolita, che può anche essere visto dai loro nomi. Oltretutto, Possiamo saperne di più. Può anche essere inteso come, Perché studiare batterie al litio a stato solido? Quali sono i suoi benefici?
Densità energetica
Batterie a ioni di litio a stato solido： Questo tipo di batteria può contenere quasi il doppio dell'energia delle batterie a ioni di litio liquide, Soprattutto quando si sostituiscono i materiali anodi con quelli più piccoli.
Batteria agli ioni di litio：La capacità delle batterie agli ioni di litio composte da diverse materie prime chimiche può variare, Ma rispetto alle batterie a stato solido, La loro densità di energia è inferiore.
Materiale elettrolitico
L'elettrolita di una batteria è una miscela chimica conduttiva che consente agli ioni metallici di fluire tra l'anodo e il catodo, con conseguente reazioni elettrochimiche.
La differenza principale tra le comuni batterie agli ioni di litio e le batterie al litio a stato solido sul mercato è che il primo utilizza un elettrolita liquido per regolare la corrente, mentre le batterie a stato solido scelgono un elettrolita solido.
Batterie a ioni di litio a stato solido: L'uso di elettroliti solidi anziché liquidi comporta un peso complessivo più leggero e una maggiore densità di energia. Ciò avrà anche alcuni vantaggi del peso in alcuni modi di trasporto.
Batteria agli ioni di litio: Le reazioni elettrochimiche si verificano negli elettroliti liquidi, causando il flusso di ioni al litio tra il catodo e l'anodo.
Le batterie a ioni di litio hanno diversi tipi chimici, e ci sono anche differenze tra loro. Ci sono LCO, LMO, LFP, NCA, LTO, e così via. Puoi leggere questo articolo intitolato "6 Tipi chimici di batterie agli ioni di litio tra cui scegliere" Per ottenere una comprensione più dettagliata.
Sicurezza della batteria al litio
Batterie al litio a stato solido: Gli elettroliti solidi riducono il rischio di incidenti termici, rendendoli più sicuri, non solo nei trasporti ma anche in uso.
Batteria agli ioni di litio: Problemi di sicurezza facili da incontrare come il surriscaldamento, espansione, e fuoco, Ponendo un rischio maggiore rispetto alle batterie al piombo-acido.
Quanto dura la batteria al litio
Batterie al litio a stato solido: Gli elettroliti solidi hanno una stabilità maggiore e una reattività inferiore rispetto ai liquidi, risultante in una durata di servizio relativamente più lunga.
Batteria agli ioni di litio: Il numero di volte in cui una batteria può essere caricata è limitato in un determinato intervallo. Le batterie agli ioni di litio liquido hanno requisiti di temperatura leggermente più elevati, e la temperatura ambiente per la carica, scarico, e l'uso è generalmente indicato. Ha una durata più breve rispetto alle batterie a stato solido.
Struttura delle batterie a stato solido
Ogni batteria agli ioni di litio ha:
Due elettrodi, che sono composti in grado di accettare ioni di litio incorporati nella loro struttura.
Il catodo si riferisce all'elettrodo positivo di una batteria realizzata con materiali catodici come LFP, NMC, LMO, eccetera.
L'anodo si riferisce all'elettrodo negativo di una batteria fatta di un materiale anodo (come sostanze non attive come carbonio o grafite).
La partizione centrale, che è un sottile strato fatto di polimero di plastica (polietilene o polipropilene), funge da partizione tra anodo e catodo, così come un isolante.
Elettrolita: un mezzo per il movimento ionico; Liquidi organici contenenti sali di litio. L'elettrolita riempie l'intero volume all'interno della batteria, immerge gli elettrodi, e consente agli ioni al litio di muoversi.
Nelle batterie agli ioni di litio esistenti, La funzione principale del separatore è l'isolamento, Ma non ha altre funzioni. È completamente saturo di elettrolita liquido. L'anodo è generalmente realizzato in grafite, e gli ioni al litio si muovono attraverso l'elettrolita e vengono inseriti nelle strutture cristalline dell'anodo e del catodo. Queste strutture hanno lacune all'interno che possono ospitare particelle di ioni di litio estremamente piccole.
Tuttavia, La struttura interna delle batterie a stato solido è diversa perché tutti i suoi componenti e media sono solidi.
Le batterie a stato solido sono costituite dai seguenti componenti:
Anodo: Realizzato in metallo di litio (Litio puro).
Catodo: Realizzato con lo stesso composto delle batterie agli ioni di litio (come LFP, NMC, LMO, eccetera.).
Diaframma, di solito polimero ceramico o solido, è anche usato come elettrolita.
Lo strato grigio al centro è un separatore solido, che non solo funge da separatore tra l'anodo e il catodo, ma anche come elettrolita.
Perciò, è sia un mezzo per il movimento ionico che ha una funzione di isolamento elettrico, Servire come una membrana meccanica tra l'anodo e il catodo. Questo supporto robusto e durevole può rimuovere la struttura della grafite dell'anodo, Garantire che il metallo di litio si accumuli direttamente sull'anodo. Inoltre, Ci sono alcune soluzioni semi-solide, in cui l'elettrolita è una sostanza simile a un gel.
Si può vedere che il concetto di batterie a stato solido è superiore in termini di spazio e applicazione materiale di elettroliti e separatori.
Come funzionano le batterie a ioni di litio a stato solido?
Il principio di lavoro delle batterie a stato solido è molto simile alle tradizionali batterie agli ioni di litio, Tranne il fatto che usano elettroliti solidi anziché elettroliti liquidi attraverso i quali ioni di litio fluiscono. Il più grande vantaggio di farlo è che le batterie a stato solido non hanno tutti i pericoli di sicurezza degli elettroliti liquidi.
Ma il principio di base dell'operazione è lo stesso. Nelle batterie a stato solido, Il litio puro si accumula sull'elettrodo positivo della batteria, e quindi scorre dall'elettrodo negativo all'elettrodo positivo durante la scarica, accumulare sotto forma di metallo anziché contenere elettrodi di ossido di metallo come batterie standard per elettroliti liquidi. Questa funzione non solo rende la batteria più sicura, ma risparmia anche molto spazio.
Quali sono i vantaggi delle batterie a stato solido?
Dimensione del prodotto
Gli elettroliti a stato solido hanno sostituito i separatori nelle tradizionali batterie agli ioni di litio, Assumere meno spazio e renderli più leggeri delle normali batterie agli ioni di litio. La svolta nella tecnologia ha il potenziale per essere applicata a campi come aeroplani e camion per il trasporto.
Peso della batteria
Il litio è l'elemento metallico più leggero, che consente agli anodi in metallo al litio nelle batterie a stato solido di fornire una maggiore densità di energia in pacchetti più piccoli. In questo modo, Le batterie a stato solido sono diventate un'opzione leggera.
Per esempio, Mentre i veicoli elettrici continuano a crescere di dimensioni, La capacità della batteria richiesta è inoltre in aumento al fine di mantenere i dati dell'intervallo, che provoca anche il problema dell'aumento del peso. Perché l'aumento del peso porterà ad un aumento dell'usura dei pneumatici, con conseguente più inquinanti particelle. Perciò, Ridurre il peso dei veicoli elettrici e le loro batterie non solo aiuta a ridurre le emissioni di scarico, ma riduce anche l'usura dei pneumatici e il rilascio di particelle. Le batterie a stato solido possono fornire eccellenti requisiti di base per questo.
Sicurezza e durata dell'uso
Le batterie a ioni di litio contengono elettroliti liquidi volatili e infiammabili, che rappresentano un rischio di incendio. Batterie a stato solido, d'altra parte, può resistere a temperature più elevate e avere una stabilità termica più forte, fabbricazione loro più sicuri.
A causa delle sue dimensioni minori e una maggiore densità di energia, Le batterie a stato solido possono immagazzinare più energia in uno spazio più piccolo, Ciò significa che usarli può migliorare la durata della batteria.
Un produttore afferma che il loro veicolo elettrico può viaggiare 745 miglia con una singola carica.
In termini di velocità di ricarica, Le batterie a stato solido sono anche eccellenti. Le batterie a ioni di litio nei veicoli elettrici in genere prendono 20 minuti a 12 ore per caricare completamente, mentre le batterie a stato solido possono essere caricate almeno 80% della loro capacità in giusta 10 A 15 minuti.
Le batterie a stato solido hanno anche una durata più lunga e possono essere cariche 5 volte più delle batterie agli ioni di litio, estendendo così la durata complessiva della batteria. Il confronto dei dati mostra che le batterie al litio a stato solido sono superiori.
Ridurre l'impronta di carbonio
Le batterie a stato solido utilizzano meno materiali e possono ridurre l'impatto climatico 39% Rispetto alle batterie agli ioni di litio. Ciò significa che è anche più rispettoso dell'ambiente e in linea con il concetto di sviluppo della neutralità del carbonio.
Ricarica rapida
L'ultima ricerca ha scoperto che il Velocità di ricarica delle batterie a stato solido è sei volte più veloce delle tecnologie di ricarica agli ioni di litio esistenti. Ma per raggiungere questa velocità, Alcuni altri indicatori chiave di prestazione possono essere sacrificati, Quindi è necessaria un'ulteriore ottimizzazione.
Tuttavia, Si può confermare che gli elettroliti liquidi sono soggetti a danni alle alte temperature, mentre gli elettroliti solidi funzionano meglio alle alte temperature. Ciò significa che le batterie a stato solido possono funzionare meglio durante la ricarica rapida e la generazione di calore, e può anche essere considerato per non perdere le proprie prestazioni in termini di generazione di calore.
Perché ne abbiamo bisogno?
Attraverso l'introduzione di batterie agli ioni di litio a stato solido, Analisi delle differenze tra batteria a stato solido e batteria a ioni di litio, e i vantaggi della batteria a stato solido, Abbiamo acquisito una comprensione completa.
Perché ne abbiamo bisogno?
Le batterie tradizionali di litio ad elettroliti liquidi devono avere un volume considerevole per alimentare le attrezzature di grandi dimensioni come le auto. E queste batterie hanno pericoli per la sicurezza, Possono espandersi a causa di variazioni di temperatura o perdite se sottoposti a compressione eccessiva. Va notato che il liquido all'interno è infiammabile.
Tutti hanno sperimentato l'ansia di "Batterie per telefoni cellulari che si stanno esaurendo" e comprende che anche il problema della durata della batteria durante l'uso è un fattore.
Sebbene tradizionale batterie agli ioni di litio sono migliorati rispetto alle batterie precedenti, Hanno ancora carenze nell'affrontare questi problemi. Velocità di ricarica lenta e durata della vita limitata li fanno funzionare male in molte applicazioni.
E le batterie a stato solido stanno gradualmente risolvendo questi problemi. Hanno un volume più piccolo ma una capacità maggiore, Peso più leggero, e maggiore sicurezza. La velocità di ricarica è più veloce e la durata della vita è più lunga, Quindi può compensare notevolmente le carenze delle tradizionali batterie al litio. That's also why we need them.
Quando Will Noi essere in grado di vedere batterie a ioni di litio a stato solido
La tecnologia a stato solido è stata utilizzata in piccole quantità nei seguenti campi:
Batterie adatte per lavorare in climi adatti
Batteria dell'applicazione aerospaziale
Batteria ibrida semi solida o solida.
Una casa automobilistica cinese è stata recentemente lanciata 50 Auto dotate di batterie semi-solide statali
Ma le batterie a stato solido sono ancora in fase di sviluppo, e ci sono ancora alcune sfide da superare per essere applicate commercialmente su larga scala.
Costo
Attualmente, Il costo di produzione delle batterie a stato solido è superiore a quello delle normali batterie agli ioni di litio perché utilizzano materiali più costosi e il processo di produzione è più complesso. Generalmente, Le tecnologie di mercato mature sono ottimizzate prima di essere utilizzate, Quindi questo è ancora un processo in corso.
Ampliamento
La maggior parte dello sviluppo di batterie a stato solido è ancora nella fase di laboratorio, e le batterie a stato solido sono considerate più sicure delle batterie tradizionali. Tuttavia, Il problema del rischio di corto circuito causato da ago di metallo al litio come la crescita deve ancora essere studiato e risolto con urgenza. Nel frattempo, Come espandere la scala di produzione è anche un argomento di ricerca in corso.
Problemi di stabilità
Le batterie a stato solido sono come respirare durante il processo di ricarica e scarico. Gli anodi in metallo di litio diventano più spessi durante la carica e più sottili durante lo scarico. Il problema principale sta su come mantenere contemporaneamente il suo stato fisso e compresso.
La batteria deve rimanere compressa per garantire che gli strati interni non si separassero, ma semplicemente risolverlo sul guscio esterno non è sufficiente, Poiché la batteria richiede elasticità flessibile quando "respirazione".
Perciò, è necessario progettare una struttura meccanica complessa. L'uso di molle per mantenere la flessibilità di tutti i componenti durante la compressione, Ma questo sistema meccanico è complesso e costoso, rendendo difficile produrre in serie.
A causa della composizione di batterie a stato solido, L'espansione non può essere completamente evitata. Conducendo ricerche per ridurre la domanda di pressione, Le batterie possono mantenere la stabilità a pressioni più basse o utilizzare materiali più avanzati per soddisfare la domanda. Questa sarà una direzione chiave per lo sviluppo tecnologico futuro.
Separatori e temperatura
Gli ioni sono sostanze che sono effettivamente atomi carichi, rendendoli più facili da muoversi in liquidi. Per consentire agli ioni di muoversi liberamente nei solidi, separatori (come separatori di ceramica) deve avere componenti speciali. Attualmente, Abbiamo alcuni elettroliti solidi ad alte prestazioni, Ma questi elettroliti non funzionano bene a temperatura ambiente. Possono solo diventare buoni conduttori a temperature sopra 50 gradi Celsius.
Ciò impone limitazioni all'applicazione pratica di batterie a stato solido, Poiché le batterie nei veicoli non possono mantenere le alte temperature indefinitamente.
Quando la temperatura delle batterie a stato solido non è alta, Le loro prestazioni diminuiranno in modo significativo. Perciò, Sono necessarie ulteriori ricerche per garantire che anche gli elettroliti solidi possano funzionare bene a basse temperature, in modo da utilizzare batterie a stato solido in applicazioni più pratiche.
Ricerca e sviluppo nel campo delle batterie a stato solido stanno rapidamente avanzando, E molti esperti ritengono che le batterie a stato solido alla fine diventeranno lo standard in aree come i veicoli elettrici.
Conclusione
Molti produttori dell'industria delle batterie sono interessati a questa promettente tecnologia, come Mercedes Benz, Volkswagen, Toyota, Tesla, eccetera., E stanno investendo risorse significative nella ricerca e nello sviluppo. Se i problemi tecnici vengono risolti, Diventeranno le prime persone sul mercato e manterranno quindi il potere del discorso. E si prevede che venga lanciato tra 2024 E 2026, che è molto anticipato e vale la pena prestare attenzione.
