Prugressu di a Ricerca è Applicazioni Industriali di Batterie di Lithium Solid-State Automotive

Cù u rapidu sviluppu di novu veiculu di energias (NEV) è a crescente dumanda per u almacenamentu di energia in rete, a necessità di batterie cù una densità d'energia più alta è più sicura hè diventata sempre più urgente. Sicondu u “Energy-Saving è New Veiculu di energia Tecnulugia Roadmap” liberatu da u Ministeru di l'Industria è a Tecnulugia di l'Informazione di a Cina (MIIT), i miri di densità d'energia unicellulari sò messi à ghjunghje 300 Wh/kg da 2020, 400 Wh/kg da 2025, è 500 Wh/kg da 2030 (cum'è mostra in a figura 1). Eppuru, i sistemi di batterie attuali anu difficultà per ottene 400 Densità energetica Wh/kg, à dì 500 Wh / kg.

1. Requisiti di Prestazione per Batterie di Lithium Automotive

E batterie di l'energia di l'automobile anu da risponde à parechji criterii di prestazione critichi: Sicurità, alta densità di energia, alta densità di putenza, bassu tassi d'autodiscarica, ampi intervalli di temperatura operativa, longa vita, è low cost.
Per i veiculi elettrici completamente alimentati da a batteria (Evs), batterie-tipu energia cù alta capacità è densità energia sò essenziali. Per ottene questu, e batterie d'energia di lithium-ion anu da migliurà e metriche di rendiment, Reduce i costi, rinfurzà a sicurità, è allargà a vita. Table 1 riassume sti esigenze.

2. Vantaghji di Batterie Solid-State

2.1 Densità d'energia più alta

Batterie à u statu solidu permettenu l'usu di lithium metal cum'è anodu, cù una capacità teorica di 3800 mAh / g - circa 10 volte quella di grafite. In i sistemi elettroliti liquidi convenzionali, prublemi cum'è a crescita incontrollata di dendrite di lithium è l'espansione significativa di u voluminu limitanu l'usu di lithium metal. Elettroliti solidi, cù e so proprietà meccaniche superiori, supprime a furmazione di dendrite è permette l'applicazione di lithium metal, cusì aumentendu a densità di energia.

2.2 Stabilità Termale Migliurata

E batterie à u statu solidu mostranu una stabilità termica megliu cà e batterie d'elettroliti liquidi, chì sò propensi à a descomposizione è a generazione di gas à alta temperatura. I vantaghji chjave includenu:

1. Quadru di polimeru: L'elettroliti di u statu solidu anu una spina di polimeru amorfu chì migliurà a conduttività di lithium-ion à temperature elevate..
2. Elettroliti Ceramichi Inorganici: Questi materiali dimustranu temperature di descomposizione elevate è diffusione ionica mejorata à e cundizioni termali più altu.

Per paragone, I sistemi elettroliti liquidi cumincianu à degradà à 80-120 ° C, chì porta à cortu circuiti interni è runaway termale. Invece, a maiò parte di l'elettroliti solidi fermanu stabile oltre 200 ° C, riducendu significativamente a necessità di sistemi di raffreddamentu in l'applicazioni di batterie.

2.3 Assemblea Flexible di Batteria

Batterie à u statu solidu supportanu disinni innovatori di cunnessione di serie interna, chì permette tensioni unicellulari più elevate paragunabili à parechje cellule di liquidu in serie. Questu riduce i bisogni di imballaggio è migliurà l'efficienza di l'assemblea.

3. Avanzate in a Tecnulugia di Batteria à u Statu Solidu

3.1 Elettroliti solidi

L'elettroliti solidi sò pivotali per u funziunamentu di e batterie à u statu solidu. Trà i varii tipi, elettroliti solidi cumposti è elettroliti sulfuri sò più promettenti per l'applicazioni cummerciale.

3.1.1 Elettroliti solidi cumposti

L'elettroliti solidi compositi combinanu matrici di polimeri organici cù riempitivi inorganici, sfruttendu i vantaghji di i dui cumpunenti per ottene una conduttività ionica più altu è forza meccanica.

• Elettroliti basati in PEO: Oxidu di polietilene (PEO) hè largamente studiatu per a so alta constante dielettrica è capacità di solvation di lithium-ion. Eppuru, a so scarsa conduttività ionica à a temperatura di l'ambienti pò esse migliurata aghjunghjendu riempitivi inorganici per rinfurzà u muvimentu di u segmentu di polimeru..
• Elettroliti PVDF-HFP: Polyvinylidene fluorure-hexafluoropropylene (PVDF-HFP) furnisce un'eccellente solubilità di u sali di litiu è una conducibilità ionica mejorata attraversu a riduzzione di cristallinità. I carichi inorganici ponu rinfurzà ancu e so proprietà meccaniche.

3.1.2 Elettroliti sulfuri solidi

Elettroliti à base di sulfuru, derivati ​​​​da ossidi, rimpiazzà l'ossigenu cù sulphur, riducendu u ligame di lithium-ion è ingrandendu i canali di trasportu ionicu. Questu risultatu in una conducibilità ionica superiore, stabilità termica, e proprietà meccaniche.

• Sfide: I sulfuri sò assai sensibili à l'umidità, reagisce cù l'acqua per pruduce gas H₂S. Per affruntà questu, A pruduzzione deve esse in ambienti secchi, o ossidi stabili pò rimpiazzà parzialmente i sulfuri per migliurà a resistenza di l'umidità.

3.2 Ingegneria di l'interfaccia

I prublemi di l'interfaccia in batterie à u statu solidu sò significativamente diffirenti da quelli in batterie liquidi, cum'è interfacce solidu-solidu dominanu. I sfidi includenu prublemi di cuntattu fisicu, reazioni interfacciali, è l'impedenza aumentata.

3.2.1 Interfaccia anodu/elettrolita

L'alta reattività di lithium metal in i sistemi liquidi causa preoccupazioni di sicurezza. L'elettroliti solidi mitiganu questi prublemi ma introducenu l'impedenza interfacciale. Strategie per migliurà u rendiment di l'interfaccia includenu:

• Cuncepimentu di strati interfaciali elastici utilizendu polimeri o gel per attivà u cuntattu morbidu è riduce l'impedenza.
• Impiegazione polimerizzazione in situ tecniche per creà interfacce senza saldatura trà elettrodi solidi è elettroliti.

3.2.2 Interfaccia Cathode/Electrolyte

Alta capacità, cathodes high-voltage spessu affruntà sfide cum'è impedance interfacial significativu è diffusion elementu. Per affruntà questu, i circadori sò:

• Utilizendu mudificazioni di superficia è additivi per stabilizzà l'interfaccia di catodu-elettroliti.
• Progettazione di strutture integrate di elettrodi / elettroliti, cum'è elettroliti solidi porosi chì infiltranu i materiali di catodi.

4. Applicazioni Industriali di Batterie Automotive Solid-State

4.1 Batterie semi-solide

E batterie semi-solide incorporanu elettroliti liquidi in sistemi di stati solidi per riduce l'impedenza di l'interfaccia. Per esempiu, Weihong New Energy hà sviluppatu una batteria ibrida solidu-liquidu per ottene 300 Wh/kg cù a 42 Ah capacità, permettendu sopra 500 km di autonomia in NEV.

4.2 Batterie à u statu solidu cumpletamente

Avanzamenti principali includenu:

• Gruppu Bolloré: Sviluppatu batterie di statu solidu basatu in PEO cù 200 Densità d'energia Wh / kg per i veiculi elettrici chjuchi.
• Toyota: Targeting 800 km gamma cù batterie sulfuri-basatu sulfudu, u scopu di a cummercializazione da 2025.
• ProLogium (Taiwan): Criatu batterie flexible à u statu solidu cù finu à 833 Densità di energia volumetrica Wh/L, ottenendu miglioramenti significativi di efficienza in l'applicazioni NEV.

5. Cunclusione

Questu articulu compara l'elettroliti solidi composti è sulfuri, mette in evidenza strategie di mudificazione di l'interfaccia, è rivista u prugressu industriale. A cumminazzioni di elettroliti solidi avanzati, ingegneria di l'interfaccia mejorata, è a prutezzione di lithium metal guidà a transizione da e batterie liquidu è semi-solidu à i sistemi cumpletamente solidi.

L'avanzamenti futuri in a tecnulugia di u statu solidu ghjucà un rolu pivotale per ottene più sicura, batterie di più altu rendiment per i veiculi elettrici di a nova generazione.