Overzicht
Solid State lithium-ionbatterijen is een opkomende batterijtechnologie die verschillende belangrijke voordelen heeft ten opzichte van traditionele vloeibare lithium-ionbatterijen. Dit maakt ook lithium-ionbatterijen voor vaste toestand beschouwd als de volgende generatie batterijtechnologie. Hoewel lithium -ionbatterijen van vaste toestand nog steeds veel verbeterde gebieden hebben in termen van veiligheid, stroom, en energiedichtheid vergeleken met de meest geavanceerde lithium-ionbatterijen die vandaag beschikbaar zijn, zoals het vertrouwen op de ontdekking en toepassing van hoogwaardige vaste elektrolyten om de momenteel gebruikte vloeibare oplossingen te vervangen.
De lithiumbatterij -industrie ontwikkelt zich voortdurend, Elke dag onderzoek doen om innovatieve technologieën innamender te ontwikkelen om ervoor te zorgen dat dit product meer bereik heeft, grotere macht, en kortere oplaadtijd.
In die zin, Solid-state batterijtechnologie lijkt de laatste grens van technologie te zijn, En deze opkomende oplossing heeft een groot potentieel om de toekomst van elektrische voertuigen te worden. Het heeft een reeks enorme voordelen, maar ook veel beperkingen die de toegang tot de markt uitstellen.
Wat is een lithium -ionbatterijen voor vaste toestand?
Direct antwoord: Beide zijn lithiumbatterijen, Maar het zou beter zijn.
Hun werkprincipes zijn hetzelfde, behalve dat er geen vloeibare component is in de lithiumbatterij van vaste toestand. In traditionele lithium-ionbatterijen, De elektrolyt is vloeibaar. Het is over het algemeen samengesteld uit lithiumzouten (zoals Lipf 6, Libf 4, of Liclo 4) opgelost in organische oplosmiddelen (zoals ethyleencarbonaat, dimethylcarbonaat, enz.). Er is een vloeistofcomponent genaamd elektrolyt in de batterij van een smartphone, waarmee lithiumionen vrij kunnen stromen en na het opladen stroom kunnen leveren aan uw apparaat. Dit leidt ook tot een fenomeen dat vloeibare lekkage wordt genoemd wanneer u uw telefoon laat vallen.
Solid state batterij versus lithium -ion: Onthullende verschillen
Bij de ontwikkeling van opslag van batterijenergie, Twee grote concurrenten strijden om de toppositie: Solid-state batterijen en lithium-ionbatterijen. Deze krachtige batterijen voeden onze consumentenelektronica en hernieuwbare energiesystemen. Met de opkomst van Solid-state batterij technologie, De batterij -industrie ondergaat een technologische revolutie, De dominante positie van lithium-ionbatterijen uitdagen.
Maar wat is het belangrijkste verschil tussen batterijen van vaste toestand en lithium-ionbatterijen?
Zoals eerder vermeld, Het belangrijkste verschil ligt in hun elektrolytensamenstelling, die ook uit hun namen te zien zijn. Daarnaast, We kunnen meer leren. Het kan ook worden begrepen als, Waarom lithiumbatterijen voor vaste toestand bestuderen? Wat zijn de voordelen ervan?
Energiedichtheid
Solid State lithium -ionbatterijen： Dit type batterij kan bijna twee keer zoveel energie bevatten als vloeibare lithium-ionbatterijen, vooral bij het vervangen van anodematerialen door kleinere.
Lithium-ionbatterij：De capaciteit van lithium-ionbatterijen samengesteld uit verschillende chemische grondstoffen kan variëren, maar vergeleken met batterijen van vaste toestand, Hun energiedichtheid is lager.
Elektrolytmateriaal
De elektrolyt van een batterij is een geleidend chemisch mengsel waarmee metaalionen tussen de anode en de kathode kunnen stromen, resulterend in elektrochemische reacties.
Het belangrijkste verschil tussen gemeenschappelijke lithium-ionbatterijen en lithiumbatterijen van vaste toestand op de markt is dat de eerste een vloeibare elektrolyt gebruikt om de stroom te reguleren, Terwijl batterijen vaste toestand kiezen voor een vaste elektrolyt.
Solid State lithium -ionbatterijen: Het gebruik van vaste elektrolyten in plaats van vloeistoffen resulteert in een lichter algemeen gewicht en een hogere energiedichtheid. Dit zal ook wat gewichtsvoordelen hebben in sommige vervoerwijzen.
Lithium-ionbatterij: Elektrochemische reacties treden op bij vloeibare elektrolyten, waardoor lithiumionen tussen de kathode en anode stromen.
Lithium -ionbatterijen hebben verschillende chemische typen, En er zijn ook verschillen tussen hen. Er zijn LCO, LMO, LFP, NCA, LTO, enzovoort. U kunt dit artikel lezen met de titel “6 Chemische soorten lithium-ionbatterijen waaruit u kunt kiezen”Om een meer gedetailleerd begrip te krijgen.
Lithium -batterijveiligheid
Solid State lithiumbatterijen: Vaste elektrolyten verminderen het risico op thermische ongevallen, Ze veiliger maken, Niet alleen in transport maar ook in gebruik.
Lithium-ionbatterij: Eenvoudig om veiligheidsproblemen tegen te komen, zoals oververhitting, uitbreiding, En vuur, posing a greater risk than lead-acid batteries.
Hoe lang duurt de lithiumbatterij
Solid State lithiumbatterijen: Vaste elektrolyten hebben een hogere stabiliteit en lagere reactiviteit in vergelijking met vloeistoffen, resulterend in een relatief langere levensduur.
Lithium-ionbatterij: Het aantal keren dat een batterij kan worden opgeladen, is binnen een bepaald bereik beperkt. Vloeibare lithium-ionbatterijen hebben iets hogere temperatuurvereisten, en de omgevingstemperatuur voor het opladen, ontladen, en gebruik wordt meestal aangegeven. Het heeft een kortere levensduur in vergelijking met batterijen in vaste toestand.
Structuur van batterijen in vaste toestand
Elke lithium-ionbatterij heeft:
Twee elektroden, die verbindingen zijn die in staat zijn om lithiumionen te accepteren die in hun structuur zijn ingebed.
Cathode verwijst naar de positieve elektrode van een batterij gemaakt van kathodematerialen zoals LFP, NMC, LMO, enz.
Anode verwijst naar de negatieve elektrode van een batterij gemaakt van een anodemateriaal (zoals niet -actieve stoffen zoals koolstof of grafiet).
De centrale partitie, dat is een dunne laag gemaakt van plastic polymeer (polyethyleen of polypropyleen), dient als een partitie tussen de anode en de kathode, evenals een isolator.
Elektrolyt: een medium voor ionenbeweging; Organische vloeistoffen die lithiumzouten bevatten. Elektrolyt vult het hele volume in de batterij, Dompelt de elektroden onder, en stelt lithiumionen in staat om te bewegen.
In bestaande lithium-ionbatterijen, De hoofdfunctie van de scheider is isolatie, Maar het heeft geen andere functies. Het is volledig verzadigd met vloeibare elektrolyt. De anode is meestal gemaakt van grafiet, en lithiumionen bewegen door de elektrolyt en worden ingebracht in de kristalstructuren van de anode en kathode. Deze structuren hebben gaten binnen die geschikt zijn voor extreem kleine lithiumiondeeltjes.
Echter, De interne structuur van solid-state batterijen is anders omdat al zijn componenten en media solide zijn.
Solid -state batterijen bestaan uit de volgende componenten:
Anode: Gemaakt van lithiummetaal (puur lithium).
Kathode: Gemaakt van dezelfde verbinding als lithium-ionbatterijen (zoals LFP, NMC, LMO, enz.).
Diafragma, meestal keramisch of vast polymeer, wordt ook gebruikt als een elektrolyt.
De grijze laag in het midden is een solide separator, die niet alleen dient als een separator tussen de anode en de kathode, maar ook als een elektrolyt.
Daarom, Het is zowel een medium voor ionenbeweging en heeft een elektrische isolatiefunctie, dienen als een mechanisch membraan tussen de anode en kathode. Deze stevige en duurzame ondersteuning kan de grafietstructuur van de anode verwijderen, Ervoor zorgen dat lithiummetaal zich direct op de anode ophoopt. In aanvulling, Er zijn enkele semi-vaste oplossingen, waarin de elektrolyt een gelachtige substantie is.
Het is te zien dat het concept van vaste statenbatterijen superieur is in termen van de ruimte en materiaaltoepassing van elektrolyten en scheiders.
Hoe werken vaste state lithium -ionbatterijen?
Het werkende principe van batterijen met vaste toestand lijkt erg op traditionele lithium-ionbatterijen, behalve dat ze vaste elektrolyten gebruiken in plaats van vloeibare elektrolyten waardoor lithiumionen stromen. Het grootste voordeel hiervan is dat batterijen in vaste toestand niet alle veiligheidsrisico's hebben van vloeibare elektrolyten.
Maar het basisprincipe van de werking is hetzelfde. In batterijen in vaste toestand, Puur lithium accumuleert bij de positieve elektrode van de batterij, en stroomt vervolgens van de negatieve elektrode naar de positieve elektrode tijdens ontlading, zich ophopen in de vorm van metaal in plaats van metaaloxide -elektroden te bevatten zoals standaard vloeibare elektrolytbatterijen. Deze functie maakt de batterij niet alleen veiliger, maar bespaart ook veel ruimte.
Wat zijn de voordelen van solid-state batterijen?
Productgrootte
Solid-state elektrolyten hebben de scheiders vervangen in traditionele lithium-ionbatterijen, minder ruimte innemen en ze lichter maken dan gewone lithium-ionbatterijen. De doorbraak in technologie kan worden toegepast op velden zoals vliegtuigen en vrachtwagens voor transport.
Batterijgewicht
Lithium is het lichtste metalen element, waardoor lithiummetaalanodes in vaste statenbatterijen kunnen zorgen voor een hogere energiedichtheid in kleinere pakketten. Op deze manier, Solid-state batterijen zijn een lichtgewicht optie geworden.
Bijvoorbeeld, Terwijl elektrische voertuigen in grootte blijven groeien, De vereiste batterijcapaciteit neemt ook toe om bereikgegevens te behouden, Dat brengt ook het probleem van verhoogde gewicht veroorzaakt. Omdat het verhoogde gewicht zal leiden tot verhoogde bandenslijtage, resulterend in meer deeltjesvormige verontreinigende stoffen. Daarom, Het verminderen van het gewicht van elektrische voertuigen en hun batterijen helpt niet alleen om de uitstoot van de uitlaat te verminderen, maar vermindert ook bandenslijtage en deeltjesafgifte. Solid -state batterijen kunnen daarvoor uitstekende basisvereisten bieden.
Veiligheid en gebruiksduur
Lithium -ionbatterijen bevatten vluchtige en ontvlambare vloeibare elektrolyten, die een risico op brand vormen. Solid State -batterijen, aan de andere kant, kan bestand zijn tegen hogere temperaturen en een sterkere thermische stabiliteit hebben, het maken ze veiliger.
Vanwege de kleinere grootte en een hogere energiedichtheid, Solid-state batterijen kunnen meer energie opslaan in een kleinere ruimte, wat betekent dat het gebruik ervan de levensduur van de batterij kan verbeteren.
Een fabrikant beweert dat zijn elektrische voertuig kan reizen 745 mijlen op één lading.
In termen van laadsnelheid, Solid-state batterijen zijn ook uitstekend. Lithium -ionbatterijen in elektrische voertuigen nemen meestal 20 minuten tot 12 uren om volledig op te laden, Terwijl batterijen voor vaste toestand kunnen worden opgeladen 80% van hun capaciteit in rechtvaardig 10 naar 15 notulen.
Solid -state batterijen hebben ook een langere levensduur en kunnen worden opgeladen 5 keer meer dan lithium-ionbatterijen, waardoor de totale levensduur van de batterij wordt verlengd. Uit gegevensvergelijking blijkt dat lithiumbatterijen voor vaste toestand superieur zijn.
Verminder de koolstofvoetafdruk
Batterijen van vaste toestand gebruiken minder materialen en kunnen de klimaateffecten verminderen door 39% Vergeleken met lithium-ionbatterijen. Dit betekent dat het ook milieuvriendelijker is en in overeenstemming met het ontwikkelingsconcept van koolstofneutraliteit.
Snel opladen
Uit het laatste onderzoek is gebleken dat de Laadsnelheid van batterijen in vaste toestand is zes keer sneller dan bestaande lithium-ion laadtechnologieën. Maar om deze snelheid te bereiken, Sommige andere belangrijke prestatie -indicatoren kunnen worden opgeofferd, dus verdere optimalisatie is nodig.
Echter, Er kan worden bevestigd dat vloeibare elektrolyten vatbaar zijn voor schade bij hoge temperaturen, terwijl vaste elektrolyten beter presteren bij hoge temperaturen. Dit betekent dat batterijen in vaste toestand beter kunnen presteren tijdens het genereren van snel opladen en warmte, en kan ook worden geacht hun eigen prestaties niet te verliezen in termen van het genereren van warmte.
Waarom hebben we ze nodig??
Door de introductie van lithium -ionbatterijen van vaste toestand, Analyse van de verschillen tussen vaste batterij en lithiumionbatterij, en de voordelen van solid -state batterij, We hebben een uitgebreid begrip gekregen.
Waarom hebben we ze nodig??
Traditionele vloeibare elektrolytlithiumbatterijen moeten een aanzienlijk volume hebben om grote apparatuur zoals auto's te voeden. En deze batterijen hebben veiligheidsrisico's, Ze kunnen uitzetten als gevolg van temperatuurveranderingen of lekken wanneer ze worden onderworpen aan overmatige compressie. Opgemerkt moet worden dat de vloeistof binnenin kan worden ontvlambaar.
Iedereen heeft de angst ervaren van "batterijen van mobiele telefoons die laag lopen" en begrijpt dat het probleem van de batterijduur tijdens gebruik ook een factor is.
Hoewel traditioneel lithium-ionbatterijen zijn verbeterd in vergelijking met eerdere batterijen, Ze hebben nog steeds tekortkomingen om deze problemen aan te pakken. Langzame laadsnelheid en beperkte levensduur laten ze in veel toepassingen slecht presteren.
En batterijen in vaste toestand lossen deze problemen geleidelijk op. Ze hebben een kleiner volume maar grotere capaciteit, lichter gewicht, en hogere veiligheid. De laadsnelheid is sneller en de levensduur is langer, Het kan dus aanzienlijk compenseren voor de tekortkomingen van traditionele lithiumbatterijen. Daarom hebben we ze ook nodig.
Wanneer zal Wij in staat zijn om lithium -ionbatterijen van vaste toestand te zien
Solid State -technologie is in de volgende velden in kleine hoeveelheden gebruikt:
Batterijen die geschikt zijn voor het werken in geschikte klimaten
Aerospace Application Battery
Semi -vaste of vaste hybride batterij.
Een Chinese autobedrijf is onlangs gelanceerd 50 Auto's uitgerust met semi-vaste staatsbatterijen
Maar batterijen van vaste toestand zijn nog in ontwikkeling, en er zijn nog enkele uitdagingen om op grote schaal commercieel te worden toegepast.
Kosten
Momenteel, De productiekosten van vaste statenbatterijen zijn hoger dan die van gewone lithium-ionbatterijen omdat ze duurder materiaal gebruiken en het productieproces complexer is. Gebruikelijk, Rijpe markttechnologieën worden geoptimaliseerd voordat ze worden gebruikt, Dus dit is nog steeds een continu proces.
Schalen
Het grootste deel van de ontwikkeling van vaste statenbatterijen bevindt zich nog in het laboratoriumstadium, en batterijen met vaste toestand worden als veiliger beschouwd dan traditionele batterijen. Echter, Het probleem van kortsluitrisico's veroorzaakt door lithiummetaalnaald zoals groei moet nog steeds dringend worden bestudeerd en opgelost. In de tussentijd, Hoe de productieschaal uit te breiden is ook een doorlopend onderzoeksonderwerp.
Stabiliteitsproblemen
Solid -state batterijen zijn als ademhaling tijdens het oplaad- en ontlaadproces. Lithiummetaalanodes worden dikker tijdens het opladen en dunner tijdens het ontladen. Het belangrijkste probleem ligt in hoe ze zowel de vaste als de gecomprimeerde toestand tegelijkertijd kunnen handhaven.
De batterij moet gecomprimeerd blijven om ervoor te zorgen dat de interne lagen niet worden gescheiden, maar het eenvoudigweg repareren aan de buitenste schaal is niet genoeg, Omdat de batterij flexibele rekbaarheid vereist bij het "ademhalen".
Daarom, Het is noodzakelijk om een complexe mechanische structuur te ontwerpen. Het gebruik van veren om de flexibiliteit van alle componenten tijdens compressie te behouden, Maar dit mechanische systeem is complex en duur, het moeilijk maken om massaal te produceren.
Vanwege de samenstelling van batterijen van vaste toestand, Uitbreiding kan niet volledig worden vermeden. Door onderzoek te doen om de vraag naar druk te verminderen, batterijen kunnen stabiliteit bij lagere druk behouden of meer geavanceerde materialen gebruiken om aan de vraag te voldoen. Dit zal een belangrijke richting zijn voor toekomstige technologische ontwikkeling.
Afscheiders en temperatuur
Ionen zijn stoffen die eigenlijk geladen atomen zijn, waardoor ze gemakkelijker in vloeistoffen te bewegen zijn. Om ionen vrij te laten bewegen in vaste stoffen, scheiders (zoals keramische scheiders) Moet speciale componenten hebben. Momenteel, We hebben een aantal krachtige vaste elektrolyten, Maar deze elektrolyten presteren niet goed bij kamertemperatuur. Ze kunnen alleen goede geleiders worden bij temperaturen hierboven 50 graden Celsius.
Dit legt beperkingen op aan de praktische toepassing van batterijen in vaste toestand, Omdat batterijen in voertuigen niet voor onbepaalde tijd hoge temperaturen kunnen behouden.
Wanneer de temperatuur van vaste toestand batterijen niet hoog is, Hun prestaties zullen aanzienlijk afnemen. Daarom, Verder onderzoek is nodig om ervoor te zorgen dat vaste elektrolyten ook goed kunnen presteren bij lage temperaturen, om vaste statenbatterijen te gebruiken in meer praktische toepassingen.
Onderzoek en ontwikkeling op het gebied van batterijen van vaste toestand gaan snel op, En veel experts zijn van mening dat batterijen in vaste toestand uiteindelijk de standaard zullen worden in gebieden zoals elektrische voertuigen.
Conclusie
Veel fabrikanten van de batterij -industrie zijn geïnteresseerd in deze veelbelovende technologie, zoals Mercedes Benz, Volkswagen, Toyota, Tesla, enz., en ze investeren belangrijke middelen in onderzoek en ontwikkeling. Als technische problemen worden opgelost, Ze zullen de eerste mensen op de markt worden en dus de discoursmacht hebben. En er wordt naar verwachting tussen 2024 En 2026, die langverwacht is en de moeite waard is om op te letten.
