Твердотельные литий-ионные аккумуляторы: Будущее бытовой электроники

Обзор

Твердотельные литий-ионные аккумуляторы — это новая технология аккумуляторов, которая имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с традиционными жидкими литий-ионными батареями.. Благодаря этому твердотельные литий-ионные аккумуляторы считаются следующим поколением аккумуляторных технологий.. Хотя твердотельные литий-ионные аккумуляторы все еще имеют много возможностей для улучшения с точки зрения безопасности., власть, и плотность энергии по сравнению с самыми современными литий-ионными батареями, доступными сегодня., например, полагаться на открытие и применение высококачественных твердых электролитов для замены используемых в настоящее время жидких растворов..


Индустрия литиевых аккумуляторов постоянно развивается., ежедневное проведение исследований для разработки все более высокопроизводительных инновационных технологий, чтобы гарантировать, что этот продукт будет иметь более широкий диапазон, большая сила, и более короткое время зарядки.
В этом смысле, Технология твердотельных аккумуляторов кажется последним рубежом технологий, и это новое решение имеет большой потенциал, чтобы стать будущим электромобилей.. Он имеет ряд огромных преимуществ, но также и множество ограничений, которые задерживают его выход на рынок..

Что такое твердотельные литий-ионные аккумуляторы?  

Solid State Lithium ion Batteries: The Future of Consumer Electronics

Прямой ответ: Обе батареи литиевые., но было бы лучше.
Принципы их работы одинаковы, за исключением того, что внутри твердотельной литиевой батареи нет жидкого компонента.. В традиционных литий-ионных батареях, электролит жидкий. Обычно он состоит из солей лития. (например ЛиПФ 6, ЛиБФ 4, или LiClO 4) растворяется в органических растворителях (например этиленкарбонат, диметилкарбонат, и т. д.). В аккумуляторе смартфона есть жидкий компонент под названием электролит., что позволяет ионам лития свободно течь и обеспечивать питание вашего устройства после зарядки. Это также приводит к явлению, называемому утечкой жидкости, когда вы роняете телефон..

Твердотельный аккумулятор против литий-ионного: Выявление различий

Твердотельный аккумулятор против литий-ионного

В разработке аккумуляторных накопителей энергии, два основных конкурента борются за первое место: твердотельные батареи и литий-ионные батареи. Эти мощные батареи питают наши потребительские электроники и системы возобновляемых источников энергии. С появлением сплошная батарея технологии, Индустрия аккумулятора проходит технологическую революцию, оспаривание доминирующего положения литий-ионных батарей.
Но каково ключевое различие между твердыми батареями и литий-ионными батареями?
Как упоминалось ранее, Основное отличие заключается в их составе электролита, который также можно увидеть по их именам. Кроме, Мы можем узнать больше. Это также можно понять как, Зачем изучать твердотельные литиевые батареи? Каковы его преимущества?

Плотность энергии

Литий -ионные батареи с твердым состоянием: Этот тип батареи может содержать почти вдвое больше энергии, чем жидкие литий-ионные батареи, особенно при замене анодных материалов на более мелкие.

Литий-ионный аккумулятор:Емкость литий-ионных батарей, состоящих из различных химических сырья, может варьироваться, Но по сравнению с твердыми батареями, Их энергетическая плотность ниже.

Материал электролита

Материал электролита

Электролит батареи представляет собой проводящую химическую смесь, которая позволяет ионам металлов течь между анодом и катодом, приводя к электрохимическим реакциям.
Основное различие между общими литий-ионными аккумуляторами и твердыми литиями на рынке состоит в том, что в первом используется жидкий электролит для регулирования тока, В то время как твердотельные батареи выбирают твердый электролит.

Литий -ионные батареи с твердым состоянием: Использование твердых электролитов вместо жидкостей приводит к более легкому общему весу и более высокой плотности энергии. Это также будет иметь некоторые преимущества веса в некоторых видах транспорта.

Литий-ионный аккумулятор: Электрохимические реакции встречаются в жидких электролитах, вызывая течь лития между катодом и анодом.

Литий -ионные батареи имеют разные химические типы, И есть также различия между ними. Есть LCO, ЖМО, ЛФП, НКА, ДН, и так далее. Вы можете прочитать эту статью под названием “6 Химические типы литий-ионных аккумуляторов, которые вы можете выбрать” Чтобы получить более подробное понимание.

Безопасность литиевой батареи

Литиевые батареи с твердым состоянием: Твердые электролиты снижают риск тепловых аварий, сделать их более безопасными, не только в транспортировке, но и в использовании.

Литий-ионный аккумулятор: Легко столкнуться с проблемами безопасности, таких как перегрев, расширение, и огонь, создавая больший риск, чем свинцовые батареи.

Твердотельные батареи

Как долго работает литиевая батарея

Литиевые батареи с твердым состоянием: Твердые электролиты имеют более высокую стабильность и более низкую реакционную способность по сравнению с жидкостями, в результате чего относительно более длительный срок службы.

Литий-ионный аккумулятор: Количество раз, когда батарея может быть заряжена, ограничено в определенном диапазоне. Жидкие литий-ионные батареи имеют немного более высокие требования к температуре, и температура окружающей среды для зарядки, разрядка, и использование обычно указывается. Он имеет более короткий срок службы по сравнению с твердыми батареями.

Структура твердотельных батарей

Каждая литий-ионная батарея имеет:
Два электрода, которые являются соединениями, способными принимать литийные ионы, встроенные в их структуру.
Катод относится к положительному электроду батареи из катодных материалов, таких как LFP, НМЦ, ЖМО, и т. д..
Анод относится к отрицательному электроду батареи из анодного материала (такие как не активные вещества, такие как углерод или графит).
Центральный раздел, который является тонким слоем из пластикового полимера (полиэтилен или полипропилен), служит разделом между анодом и катодом, а также изолятор.
Электролит: среда для движения ионов; Органические жидкости, содержащие соли лития. Электролит заполняет весь громкость внутри аккумулятора, Погружает электроды, и позволяет ионам лития перемещаться.

упомянутьimg04 1

В существующих литий-ионных батареях, Основная функция сепаратора – изоляция, но у него нет других функций. Полностью пропитан жидким электролитом.. Анод обычно изготавливается из графита., ионы лития движутся через электролит и внедряются в кристаллические структуры анода и катода.. Внутри этих структур есть зазоры, в которых могут разместиться чрезвычайно мелкие частицы ионов лития..

Однако, внутренняя структура твердотельных батарей отличается, поскольку все ее компоненты и носители являются твердыми..
Твердотельные аккумуляторы состоят из следующих компонентов:
Анод: Изготовлен из металлического лития (чистый литий).
катод: Изготовлен из того же состава, что и литий-ионные аккумуляторы. (например, ЛФП, НМЦ, ЖМО, и т. д.).
Диафрагма, обычно керамика или твердый полимер, также используется в качестве электролита.
Серый слой посередине — сплошной разделитель., который не только служит сепаратором между анодом и катодом, но и как электролит.

Структура твердотельных батарей

Поэтому, он является одновременно средой для движения ионов и выполняет электроизоляционную функцию., служит механической мембраной между анодом и катодом. Эта прочная и долговечная опора может удалить графитовую структуру анода., обеспечение того, чтобы металлический литий накапливался непосредственно на аноде. Кроме того, есть полутвердые растворы, в котором электролит представляет собой гелеобразное вещество.
Видно, что концепция твердотельных аккумуляторов превосходит по размеру и материалу применение электролитов и сепараторов..

Как работают твердотельные литий-ионные аккумуляторы?

твердотельный аккумулятор5 01 768х451 1

Принцип работы твердотельных аккумуляторов очень похож на традиционные литий-ионные аккумуляторы., за исключением того, что они используют твердые электролиты вместо жидких электролитов, через которые текут ионы лития.. Самым большим преимуществом этого является то, что твердотельные батареи не имеют всех опасностей, присущих жидким электролитам..
Но основной принцип работы тот же. В твердотельных батареях, чистый литий накапливается на положительном электроде батареи, а затем течет от отрицательного электрода к положительному электроду во время разряда, накапливающиеся в виде металла, а не содержащие оксиды металлов электроды, как стандартные батареи с жидким электролитом. Эта функция не только делает аккумулятор безопаснее, но и экономит много места.

В чем преимущества твердотельных аккумуляторов?  

Размер продукта

Твердотельные электролиты заменили сепараторы в традиционных литий-ионных батареях., занимая меньше места и делая их легче, чем обычные литий-ионные батареи. Прорыв в технологии может применяться к таким областям, как самолеты и грузовики для транспортировки.

Вес батареи

Дизайн веса батареи

Литий является самым легким металлическим элементом, который позволяет литий-металлическим анодам в твердотельных батареях обеспечить более высокую плотность энергии в небольших упаковках. Таким образом, твердотельные батареи стали легким вариантом.
Например, По мере того, как электромобили продолжают расти в размерах, Требуемая емкость батареи также увеличивается для поддержания данных диапазона, который также вызывает проблему повышенного веса. Потому что повышенный вес приведет к увеличению износа шин, приводя к большему количеству загрязнителей твердых частиц. Поэтому, снижение веса электромобилей и их аккумуляторов не только помогает снизить выбросы выхлопных газов, но также снижает износ шин и выброс частиц. Твердотельные батареи могут обеспечить отличные базовые требования к нему..

Безопасность и продолжительность использования

твердотельная батарея твердотельные силовые элементы 1611958344 1

Литий-ионные аккумуляторы содержат летучие и легковоспламеняющиеся жидкие электролиты., которые представляют опасность возгорания. Твердотельные батареи, с другой стороны, может выдерживать более высокие температуры и иметь более высокую термическую стабильность, изготовление они безопаснее.
Благодаря меньшему размеру и более высокой плотности энергии, твердотельные батареи могут хранить больше энергии в меньшем пространстве, а это означает, что их использование может увеличить срок службы батареи.

Производитель утверждает, что их электромобиль может путешествовать 745 миль за один заряд.
По скорости зарядки, твердотельные аккумуляторы тоже отличные. Литий -ионные батареи в электромобилях обычно принимают 20 минуты до 12 Часы, чтобы полностью заряжать, В то время как твердотельные батареи могут быть заряжены, по крайней мере, на 80% их способности просто 10 к 15 минуты.
Твердые государственные батареи также имеют более длительный срок службы и могут быть заряжены до 5 раз больше, чем литий-ионные батареи, тем самым продлив общий срок службы батареи. Сравнение данных показывает, что литиевые батареи твердого состояния превосходят.

Уменьшите выбросы углекислого газа

Твердотельные батареи используют меньше материалов и могут уменьшить влияние климата 39% по сравнению с литий-ионными батареями. Это означает, что это также более экологически чистое и в соответствии с концепцией развития углеродного нейтралитета.

Быстрая зарядка

Последнее исследование показало, что Скорость зарядки твердотельных батарей в шесть раз быстрее, чем существующие технологии зарядки лития. Но для достижения этой скорости, Некоторые другие ключевые показатели эффективности могут быть принесены в жертву, Поэтому необходима дальнейшая оптимизация.
Однако, Можно подтвердить, что жидкие электролиты подвержены повреждениям при высоких температурах, В то время как твердые электролиты работают лучше при высоких температурах. Это означает, что твердотельные батареи могут лучше работать во время быстрой зарядки и тепла., и также можно считать, что не теряет собственную производительность с точки зрения генерации тепла.

battery charge indicator wood model phone charge royalty free image 1719241412

Зачем они нам нужны?  

Благодаря введению литий -ионных аккумуляторов твердого состояния, Анализ различий между сплошной батареей и литий -ионной батареей, и преимущества сплошной батареи, Мы получили полное понимание.
Зачем они нам нужны?
Традиционные литиевые батареи с жидким электролитом должны иметь значительный объем для питания крупного оборудования, такого как автомобили.. И эти батареи представляют угрозу безопасности., они могут расширяться из-за изменений температуры или протекать при чрезмерном сжатии.. Следует отметить, что жидкость внутри легко воспламеняется..
Каждый сталкивался с тревогой “аккумуляторы мобильного телефона разряжаются” и понимает, что вопрос срока службы батареи во время использования также является фактором.

Хотя традиционный литий-ионные аккумуляторы улучшены по сравнению с предыдущими батареями, у них все еще есть недостатки в решении этих вопросов. Низкая скорость зарядки и ограниченный срок службы приводят к тому, что они плохо работают во многих приложениях..
И твердотельные аккумуляторы постепенно решают эти проблемы.. Они имеют меньший объем, но большую вместимость., меньший вес, и более высокая безопасность. Скорость зарядки выше, а срок службы больше., поэтому он может значительно компенсировать недостатки традиционных литиевых батарей.. Вот почему они нам нужны.

Когда будет мы уметь видеть твердотельные литий-ионные батареи

Твердотельные технологии использовались в небольших количествах в следующих областях::
Аккумуляторы, подходящие для работы в подходящем климате
Аккумулятор для аэрокосмической отрасли
Полутвердая или твердотельная гибридная батарея.
Китайская автомобильная компания недавно запустила 50 автомобили, оснащенные полутвердотельными аккумуляторами
Но твердотельные батареи все еще находятся в стадии разработки., и еще предстоит преодолеть некоторые проблемы, чтобы обеспечить коммерческое применение в больших масштабах..

Conventional Li ion battery used in commercial EVs

Расходы

В настоящий момент, Стоимость производства твердотельных батарей выше, чем у обычных литий-ионных батарей, поскольку они используют более дорогие материалы, а производственный процесс более сложный. Обычно, Зрелые рыночные технологии оптимизированы до их использования, Так что это все еще постоянный процесс.

Масштабировать

Большая часть разработки твердотельных батарей все еще находится на лабораторной стадии, и твердотельные батареи считаются более безопасными, чем традиционные батареи. Однако, Проблема риска короткого замыка. Тем временем, Как расширить масштаб производства также является постоянной темой исследования.

Проблемы со стабильностью

Твердовые аккумуляторы похожи на дыхание во время процесса зарядки и сброса. Аноды металлов лития становятся толще во время зарядки и тоньше во время разрядки. Основная проблема заключается в том, как одновременно поддерживать фиксированное и сжатое состояние..
Аккумулятор должен оставаться сжатым, чтобы внутренние слои не разделились., но просто закрепить его на внешней оболочке недостаточно, поскольку батарея требует гибкой растягиваемости при “дыхание”.

Поэтому, необходимо спроектировать сложную механическую конструкцию. Использование пружин для сохранения гибкости всех компонентов при сжатии., но эта механическая система сложна и дорога, что затрудняет массовое производство.
Из-за состава твердотельных аккумуляторов, расширения невозможно полностью избежать. Проводя исследования по снижению спроса на давление, батареи могут сохранять стабильность при более низких давлениях или использовать более совершенные материалы для удовлетворения спроса. Это будет ключевым направлением будущего технологического развития..

Сепараторы и температура

Separators

Ионы — это вещества, которые на самом деле представляют собой заряженные атомы., что облегчает их перемещение в жидкостях. Чтобы ионы могли свободно перемещаться в твердых телах., сепараторы (например, керамические сепараторы) должны иметь специальные компоненты. В настоящий момент, у нас есть высокоэффективные твердые электролиты, но эти электролиты плохо работают при комнатной температуре.. Они могут стать хорошими проводниками только при температуре выше 50 градусов Цельсия.
Это накладывает ограничения на практическое применение твердотельных аккумуляторов., поскольку аккумуляторы в транспортных средствах не могут поддерживать высокие температуры бесконечно.

Когда температура твердотельных батарей невысокая, их производительность значительно снизится. Поэтому, необходимы дальнейшие исследования, чтобы гарантировать, что твердые электролиты также могут хорошо работать при низких температурах., чтобы использовать твердотельные батареи в более практических приложениях.

Исследования и разработки в области твердотельных батарей быстро продвигаются, И многие эксперты считают, что твердотельные батареи в конечном итоге станут стандартом в таких областях, как электромобили.

Заключение

solid state battery design

Многие производители индустрии аккумуляторов заинтересованы в этой многообещающей технологии, такие как Mercedes Benz, Volkswagen, Тойота, Тесла, и т. д., И они вкладывают значительные ресурсы в исследования и разработки. Если технические проблемы решены, Они станут первыми на рынке и, таким образом, будут иметь дискурсную власть. И ожидается, что он будет запущен между 2024 и 2026, что очень ожидается и стоит обратить внимание на.

оставьте ответ

Ваш электронный адрес не будет опубликован. Обязательные поля помечены *