Översikt
Solid state litiumjonbatterier är en ny batteriteknologi som har flera betydande fördelar jämfört med traditionella flytande litiumjonbatterier. Detta gör också att solid-state litiumjonbatterier betraktas som nästa generations batteriteknologi. Även om Solid State litiumjonbatterier fortfarande har många områden att förbättra när det gäller säkerhet, kraft, och energitäthet jämfört med de mest avancerade litiumjonbatterier som finns tillgängliga idag, såsom att förlita sig på upptäckten och tillämpningen av högkvalitativa fasta elektrolyter för att ersätta de flytande lösningar som för närvarande används.
Litiumbatteriindustrin utvecklas ständigt, forskar varje dag för att utveckla innovativa teknologier med allt högre prestanda för att säkerställa att denna produkt har ett större utbud, större makt, och kortare laddningstid.
I denna mening, Solid-state batteriteknik verkar vara teknologins sista gräns, och denna framväxande lösning har stor potential att bli framtiden för elfordon. Det har en rad enorma fördelar, men också många begränsningar som försenar dess inträde på marknaden.
Vad är ett Solid State litiumjonbatterier?
Direkt svar: Båda är litiumbatterier, men det vore bättre.
Deras arbetsprinciper är desamma, förutom att det inte finns någon flytande komponent inuti solid-state litiumbatteriet. I traditionella litiumjonbatterier, elektrolyten är flytande. Det är vanligtvis sammansatt av litiumsalter (såsom LiPF 6, LiBF 4, eller LiClO 4) löst i organiska lösningsmedel (såsom etylenkarbonat, dimetylkarbonat, etc.). Det finns en flytande komponent som kallas elektrolyt i batteriet i en smartphone, som låter litiumjoner flöda fritt och förser din enhet med ström efter laddning. Detta leder också till ett fenomen som kallas vätskeläckage när du tappar din telefon.
Solid State-batteri vs litiumjon: Avslöjande skillnader
I utvecklingen av batterienergilagring, två stora konkurrenter tävlar om topplaceringen: solid state-batterier och litiumjonbatterier. Dessa kraftfulla batterier driver våra konsumentelektronik och förnybara energisystem. Med uppkomsten av solid state-batteri teknologi, batteriindustrin genomgår en teknisk revolution, utmanar den dominerande ställningen för litiumjonbatterier.
Men vad är den viktigaste skillnaden mellan solid state-batterier och litiumjonbatterier?
Som nämnts tidigare, den största skillnaden ligger i deras elektrolytsammansättning, vilket också kan ses av deras namn. Dessutom, vi kan lära oss mer. Det kan också förstås som, varför studera solid-state litiumbatterier? Vilka är dess fördelar?
Energitäthet
Solid state litiumjonbatterier： Denna typ av batteri kan rymma nästan dubbelt så mycket energi som flytande litiumjonbatterier, speciellt vid byte av anodmaterial med mindre.
Litiumjonbatteri：Kapaciteten hos litiumjonbatterier som består av olika kemiska råvaror kan variera, men jämfört med solid-state batterier, deras energitäthet är lägre.
Elektrolytmaterial
Elektrolyten i ett batteri är en ledande kemisk blandning som låter metalljoner flöda mellan anoden och katoden, resulterar i elektrokemiska reaktioner.
Den största skillnaden mellan vanliga litiumjonbatterier och solid-state litiumbatterier på marknaden är att de förstnämnda använder en flytande elektrolyt för att reglera strömmen., medan solid-state-batterier väljer en solid elektrolyt.
Solid state litiumjonbatterier: Att använda fasta elektrolyter istället för vätskor resulterar i en lägre totalvikt och högre energitäthet. Detta kommer också att ha vissa viktfördelar i vissa transportsätt.
Litiumjonbatteri: Elektrokemiska reaktioner sker i flytande elektrolyter, orsakar att litiumjoner flödar mellan katoden och anoden.
Litiumjonbatterier har olika kemikalietyper, och det finns också skillnader mellan dem. Det finns LCO, LMO, LFP, NCA, LTO, och så vidare. Du kan läsa den här artikeln med titeln "6 Kemiska typer av litiumjonbatterier som du kan välja mellan” för att få en mer detaljerad förståelse.
Litiumbatterisäkerhet
Solid state litiumbatterier: Fasta elektrolyter minskar risken för termiska olyckor, gör dem säkrare, inte bara vid transport utan även vid användning.
Litiumjonbatteri: Lätt att stöta på säkerhetsproblem som överhettning, expansion, och eld, utgör en större risk än blybatterier.
Hur länge håller litiumbatteriet
Solid state litiumbatterier: Fasta elektrolyter har högre stabilitet och lägre reaktivitet jämfört med vätskor, vilket ger en relativt längre livslängd.
Litiumjonbatteri: Antalet gånger ett batteri kan laddas är begränsat inom ett visst intervall. Flytande litiumjonbatterier har något högre temperaturkrav, och den omgivande temperaturen för laddning, urladdning, och användning är vanligtvis indikerad. Den har en kortare livslängd jämfört med solid state-batterier.
Struktur av solid state-batterier
Alla litiumjonbatterier har:
Två elektroder, som är föreningar som kan acceptera litiumjoner inbäddade i sin struktur.
Katod hänvisar till den positiva elektroden i ett batteri tillverkat av katodmaterial såsom LFP, NMC, LMO, etc.
Anod hänvisar till den negativa elektroden på ett batteri tillverkat av ett anodmaterial (såsom icke-aktiva ämnen som kol eller grafit).
Den centrala skiljeväggen, som är ett tunt lager av plastpolymer (polyeten eller polypropen), fungerar som en skiljevägg mellan anoden och katoden, samt en isolator.
Elektrolyt: ett medium för jonrörelse; Organiska vätskor som innehåller litiumsalter. Elektrolyt fyller hela volymen inuti batteriet, nedsänker elektroderna, och låter litiumjoner röra sig.
I befintliga litiumjonbatterier, huvudfunktionen för separatorn är isolering, men den har inga andra funktioner. Den är helt mättad med flytande elektrolyt. Anoden är vanligtvis gjord av grafit, och litiumjoner rör sig genom elektrolyten och förs in i anodens och katodens kristallstrukturer. Dessa strukturer har luckor inuti som kan rymma extremt små litiumjonpartiklar.
dock, den interna strukturen hos solid-state-batterier är annorlunda eftersom alla dess komponenter och media är solida.
Solid state-batterier består av följande komponenter:
Anod: Tillverkad av litiummetall (rent litium).
Katod: Tillverkad av samma sammansättning som litiumjonbatterier (såsom LFP, NMC, LMO, etc.).
Membran, vanligtvis keramisk eller fast polymer, används också som elektrolyt.
Det grå lagret i mitten är en solid separator, som inte bara fungerar som en separator mellan anoden och katoden, men också som en elektrolyt.
Därför, det är både ett medium för jonrörelse och har elektrisk isoleringsfunktion, fungerar som ett mekaniskt membran mellan anoden och katoden. Detta robusta och hållbara stöd kan ta bort anodens grafitstruktur, ser till att litiummetall ackumuleras direkt på anoden. Dessutom, det finns några halvfasta lösningar, där elektrolyten är en gelliknande substans.
Det kan ses att konceptet med solid state-batterier är överlägset när det gäller utrymme och materialanvändning av elektrolyter och separatorer.
Hur fungerar Solid State litiumjonbatterier?
Arbetsprincipen för solid-state-batterier är mycket lik traditionella litiumjonbatterier, förutom att de använder fasta elektrolyter istället för flytande elektrolyter genom vilka litiumjoner strömmar. Den största fördelen med att göra detta är att solid state-batterier inte har alla säkerhetsrisker med flytande elektrolyter.
Men den grundläggande principen för driften är densamma. I solid state-batterier, ren litium ansamlas vid batteriets positiva elektrod, och strömmar sedan från den negativa elektroden till den positiva elektroden under urladdning, ackumuleras i form av metall istället för att innehålla metalloxidelektroder som vanliga flytande elektrolytbatterier. Denna funktion gör inte bara batteriet säkrare, men sparar också mycket utrymme.
Vilka är fördelarna med solid state-batterier?
Produktstorlek
Fasta elektrolyter har ersatt separatorerna i traditionella litiumjonbatterier, tar mindre plats och gör dem lättare än vanliga litiumjonbatterier. Teknikens genombrott har potential att tillämpas på områden som flygplan och lastbilar för transport.
Batterivikt
Litium är det lättaste metallelementet, som tillåter litiummetallanoder i solid state-batterier att ge högre energitäthet i mindre förpackningar. På det här sättet, solid-state-batterier har blivit ett lättviktigt alternativ.
Till exempel, eftersom elfordon fortsätter att växa i storlek, den nödvändiga batterikapaciteten ökar också för att upprätthålla räckviddsdata, vilket också medför problemet med ökad vikt. Eftersom den ökade vikten kommer att leda till ökat däckslitage, vilket resulterar i mer partikelformiga föroreningar. Därför, Att minska vikten på elfordon och deras batterier bidrar inte bara till att minska avgasutsläppen, men minskar också däckslitage och partikelutsläpp. Solid state-batterier kan ge utmärkta grundkrav för det.
Säkerhet och användningstid
Litiumjonbatterier innehåller flyktiga och brandfarliga flytande elektrolyter, som medför brandrisk. Solid state-batterier, å andra sidan, tål högre temperaturer och har starkare termisk stabilitet, tillverkning dem säkrare.
På grund av dess mindre storlek och högre energitäthet, Solid-state-batterier kan lagra mer energi på ett mindre utrymme, vilket innebär att användningen av dem kan förbättra batteritiden.
En tillverkare hävdar att deras elfordon kan resa 745 mil på en enda laddning.
När det gäller laddningshastighet, Solid-state-batterier är också utmärkta. Litiumjonbatterier i elfordon tar vanligtvis 20 minuter till 12 timmar för att ladda helt, medan solid-state-batterier kan laddas till minst 80% av sin kapacitet på bara 10 till 15 minuter.
Solid state-batterier har också längre livslängd och kan laddas upp till 5 gånger mer än litiumjonbatterier, vilket förlänger batteriets totala livslängd. Datajämförelse visar att Solid State litiumbatterier är överlägsna.
Minska koldioxidavtryck
Solid state-batterier använder färre material och kan minska klimatpåverkan med 39% jämfört med litiumjonbatterier. Det betyder att det också är mer miljövänligt och i linje med utvecklingskonceptet för koldioxidneutralitet.
Snabbladdning
Den senaste forskningen har funnit att laddningshastighet för solid state-batterier är sex gånger snabbare än befintlig litiumjonladdningsteknik. Men för att uppnå denna hastighet, vissa andra nyckeltal kan komma att offras, så ytterligare optimering behövs.
dock, det kan bekräftas att flytande elektrolyter är benägna att skadas vid höga temperaturer, medan fasta elektrolyter fungerar bättre vid höga temperaturer. Detta innebär att solid-state-batterier kan prestera bättre under snabbladdning och värmealstring, och kan även anses inte förlora sin egen prestanda vad gäller värmealstring.
Varför behöver vi dem?
Genom introduktionen av Solid State litiumjonbatterier, analys av skillnaderna mellan Solid State-batteri och litiumjonbatteri, och fördelarna med Solid State Battery, vi har fått en omfattande förståelse.
Varför behöver vi dem?
Traditionella flytande elektrolytlitiumbatterier måste ha en avsevärd volym för att driva stor utrustning som bilar. Och dessa batterier har säkerhetsrisker, de kan expandera på grund av temperaturförändringar eller läckage när de utsätts för överdriven kompression. Det bör noteras att vätskan inuti är brandfarlig.
Alla har upplevt ångesten för att "batterierna i mobiltelefoner börjar ta slut" och förstår att frågan om batteritid under användning också är en faktor.
Även om det är traditionellt litiumjonbatterier har förbättrats jämfört med tidigare batterier, de har fortfarande brister i att ta itu med dessa frågor. Långsam laddningshastighet och begränsad livslängd gör att de fungerar dåligt i många applikationer.
Och solid-state-batterier löser gradvis dessa problem. De har mindre volym men större kapacitet, tändarvikt, och högre säkerhet. Laddningshastigheten är snabbare och livslängden är längre, så det kan i hög grad kompensera för bristerna med traditionella litiumbatterier. Det är också därför vi behöver dem.
När kommer vi kunna se solid state litiumjonbatterier
Solid state-teknologi har använts i små kvantiteter inom följande områden:
Batterier lämpliga för arbete i lämpliga klimat
Batteri för flygapplikationer
Halvsolid eller solid hybridbatteri.
Ett kinesiskt bilföretag lanserade nyligen 50 bilar utrustade med halvfasta batterier
Men Solid State-batterier är fortfarande under utveckling, och det finns fortfarande vissa utmaningar att övervinna för att kunna tillämpas kommersiellt i stor skala.
Kosta
För närvarande, produktionskostnaden för solid state-batterier är högre än för vanliga litiumjonbatterier eftersom de använder dyrare material och produktionsprocessen är mer komplex. Vanligtvis, mogna marknadsteknologier optimeras innan de tas i bruk, så detta är fortfarande en pågående process.
Skala upp
Det mesta av utvecklingen av solid-state-batterier är fortfarande i laboratoriestadiet, och solid state-batterier anses vara säkrare än traditionella batterier. dock, problemet med kortslutningsrisk orsakad av litiummetallnålliknande tillväxt måste fortfarande studeras och lösas omedelbart. Under tiden, hur man utökar produktionsskala är också ett pågående forskningsämne.
Stabilitetsfrågor
Solid state-batterier är som att andas under laddning och urladdning. Litiummetallanoder blir tjockare under laddning och tunnare under urladdning. Huvudfrågan ligger i hur man bibehåller både sitt fasta och komprimerade tillstånd samtidigt.
Batteriet måste förbli komprimerat för att säkerställa att de inre lagren inte separeras, men det räcker inte att bara fästa den på det yttre skalet, eftersom batteriet kräver flexibel töjbarhet vid "andning".
Därför, det är nödvändigt att designa en komplex mekanisk struktur. Användningen av fjädrar för att bibehålla flexibiliteten hos alla komponenter under kompression, men detta mekaniska system är komplext och dyrt, gör det svårt att massproducera.
På grund av sammansättningen av solid state-batterier, expansion kan inte helt undvikas. Genom att bedriva forskning för att minska efterfrågan på tryck, batterier kan bibehålla stabilitet vid lägre tryck eller använda mer avancerade material för att möta efterfrågan. Detta kommer att vara en nyckelriktning för framtida teknisk utveckling.
Separatorer och temperatur
Joner är ämnen som faktiskt är laddade atomer, vilket gör dem lättare att flytta i vätskor. För att låta joner röra sig fritt i fasta ämnen, separatorer (såsom keramiska separatorer) måste ha speciella komponenter. För närvarande, vi har några högpresterande fasta elektrolyter, men dessa elektrolyter fungerar inte bra vid rumstemperatur. De kan bara bli bra ledare vid temperaturer över 50 grader Celsius.
Detta medför begränsningar för den praktiska tillämpningen av solid state-batterier, eftersom batterier i fordon inte kan hålla höga temperaturer på obestämd tid.
När temperaturen på solid-state-batterier inte är hög, deras prestanda kommer att minska avsevärt. Därför, ytterligare forskning behövs för att säkerställa att fasta elektrolyter också kan fungera bra vid låga temperaturer, för att använda solid-state-batterier i mer praktiska tillämpningar.
Forskning och utveckling inom området Solid State-batterier går snabbt framåt, och många experter tror att solid-state-batterier så småningom kommer att bli standarden inom områden som elfordon.
Slutsats
Många batteritillverkare är intresserade av denna lovande teknik, som Mercedes Benz, Volkswagen, Toyota, Tesla, etc., och de investerar betydande resurser i forskning och utveckling. Om tekniska problem löses, de kommer att bli de första personerna på marknaden och därmed inneha diskursmakten. Och den förväntas lanseras mellan kl 2024 och 2026, vilket är mycket efterlängtat och värt att uppmärksamma.
