Kemajuan Penelitian dan Aplikasi Industri Baterai Lithium Solid-State Otomotif

Dengan pesatnya perkembangan baru kendaraan energiS (NEV) dan meningkatnya permintaan akan penyimpanan energi jaringan, kebutuhan akan baterai dengan kepadatan energi lebih tinggi dan keamanan lebih tinggi menjadi semakin mendesak. Menurut “Hemat Energi dan Baru Kendaraan Energi Peta Jalan Teknologi” dirilis oleh Kementerian Perindustrian dan Teknologi Informasi Tiongkok (MIIT), target kepadatan energi sel tunggal ditetapkan untuk dicapai 300 Berapa/kg per 2020, 400 Berapa/kg per 2025, Dan 500 Berapa/kg per 2030 (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1). Namun, sistem baterai saat ini sulit dicapai 400 Kepadatan energi wh/kg, apalagi 500 Wh/kg.

1. Persyaratan Kinerja untuk Baterai Lithium Otomotif

Baterai daya otomotif harus memenuhi beberapa kriteria kinerja penting: keamanan, kepadatan energi yang tinggi, kepadatan daya tinggi, tingkat self-discharge yang rendah, rentang suhu operasional yang luas, umur panjang, dan biaya rendah.
Untuk kendaraan listrik yang sepenuhnya digerakkan oleh baterai (EVS), baterai jenis energi dengan kapasitas dan kepadatan energi tinggi sangat penting. Untuk mencapai hal ini, baterai bertenaga lithium-ion harus meningkatkan metrik kinerja, mengurangi biaya, meningkatkan keselamatan, dan memperpanjang umur. Meja 1 merangkum persyaratan ini.

2. Keuntungan Baterai Solid-State

2.1 Kepadatan Energi Lebih Tinggi

Baterai solid-state memungkinkan penggunaan logam litium sebagai anoda, dengan kapasitas teoretis sebesar 3800 mAh/g—kira-kira 10 kali lipat dari grafit. Dalam sistem elektrolit cair konvensional, masalah seperti pertumbuhan dendrit litium yang tidak terkendali dan perluasan volume yang signifikan membatasi penggunaan logam litium. Elektrolit padat, dengan sifat mekaniknya yang unggul, menekan pembentukan dendrit dan memungkinkan penerapan logam litium, sehingga meningkatkan kepadatan energi.

2.2 Peningkatan Stabilitas Termal

Baterai solid-state menunjukkan stabilitas termal yang lebih baik dibandingkan baterai elektrolit cair, yang rentan terhadap dekomposisi dan pembentukan gas pada suhu tinggi. Keuntungan utama meliputi:

1. Kerangka Polimer: Elektrolit keadaan padat memiliki tulang punggung polimer amorf yang meningkatkan konduktivitas litium-ion pada suhu tinggi.
2. Elektrolit Keramik Anorganik: Bahan-bahan ini menunjukkan suhu dekomposisi yang tinggi dan peningkatan difusi ionik pada kondisi termal yang lebih tinggi.

Sebagai perbandingan, sistem elektrolit cair mulai terdegradasi pada 80–120°C, menyebabkan korsleting internal dan pelarian termal. Sebaliknya, sebagian besar elektrolit padat tetap stabil melebihi 200°C, secara signifikan mengurangi kebutuhan sistem pendingin dalam aplikasi baterai.

2.3 Perakitan Baterai Fleksibel

Baterai solid-state mendukung desain koneksi seri internal yang inovatif, memungkinkan tegangan sel tunggal yang lebih tinggi sebanding dengan beberapa sel cair secara seri. Hal ini mengurangi kebutuhan pengemasan dan meningkatkan efisiensi perakitan.

3. Kemajuan dalam Teknologi Baterai Solid-State

3.1 Elektrolit Padat

Elektrolit padat sangat penting untuk kinerja baterai solid-state. Diantara berbagai jenisnya, elektrolit padat komposit Dan elektrolit sulfida paling menjanjikan untuk aplikasi komersial.

3.1.1 Elektrolit Padat Komposit

Elektrolit padat komposit menggabungkan matriks polimer organik dengan bahan pengisi anorganik, memanfaatkan keunggulan kedua komponen untuk mencapai konduktivitas ionik dan kekuatan mekanik yang lebih tinggi.

• Elektrolit Berbasis PEO: Polietilen oksida (ORANG) dipelajari secara luas karena konstanta dielektriknya yang tinggi dan kapasitas solvasi litium-ion. Namun, konduktivitas ionnya yang buruk pada suhu kamar dapat diperbaiki dengan menambahkan bahan pengisi anorganik untuk meningkatkan pergerakan segmen polimer.
• Elektrolit PVDF-HFP: Polivinilidena fluorida-heksafluoropropilena (PVDF-HFP) memberikan kelarutan garam litium yang sangat baik dan meningkatkan konduktivitas ionik melalui pengurangan kristalinitas. Pengisi anorganik selanjutnya dapat meningkatkan sifat mekaniknya.

3.1.2 Elektrolit Padat Sulfida

Elektrolit berbasis sulfida, berasal dari oksida, mengganti oksigen dengan belerang, mengurangi pengikatan lithium-ion dan memperbesar saluran transpor ionik. Hal ini menghasilkan konduktivitas ionik yang unggul, stabilitas termal, dan sifat mekanik.

• Tantangan: Sulfida sangat sensitif terhadap kelembapan, bereaksi dengan air menghasilkan gas H₂S. Untuk mengatasi hal ini, produksi harus terjadi di lingkungan kering, atau oksida stabil sebagian dapat menggantikan sulfida untuk meningkatkan ketahanan terhadap kelembaban.

3.2 Rekayasa Antarmuka

Masalah antarmuka pada baterai solid-state sangat berbeda dengan baterai cair, karena antarmuka solid-solid mendominasi. Tantangannya termasuk masalah kontak fisik, reaksi antarmuka, dan peningkatan impedansi.

3.2.1 Antarmuka Anoda/Elektrolit

Tingginya reaktivitas logam litium dalam sistem cair menyebabkan masalah keamanan. Elektrolit padat mengurangi masalah ini tetapi menimbulkan impedansi antarmuka. Strategi untuk meningkatkan kinerja antarmuka meliputi:

• Merancang lapisan antarmuka elastis menggunakan polimer atau gel untuk memungkinkan kontak lembut dan mengurangi impedansi.
• Mempekerjakan polimerisasi in-situ teknik untuk membuat antarmuka mulus antara elektroda padat dan elektrolit.

3.2.2 Antarmuka Katoda/Elektrolit

Berkapasitas tinggi, katoda tegangan tinggi sering menghadapi tantangan seperti impedansi antarmuka yang signifikan dan difusi elemen. Untuk mengatasi hal ini, peneliti adalah:

• Menggunakan modifikasi permukaan dan aditif untuk menstabilkan antarmuka katoda-elektrolit.
• Merancang struktur elektroda/elektrolit terintegrasi, seperti elektrolit padat berpori yang menyusup ke bahan katoda.

4. Aplikasi Industri Baterai Solid-State Otomotif

4.1 Baterai Semi Padat

Baterai semi-padat menggabungkan elektrolit cair ke dalam sistem solid-state untuk mengurangi impedansi antarmuka. Misalnya, Weihong New Energy mengembangkan baterai padat-cair hibrida yang berprestasi 300 Wh/kg dengan a 42 Ah kapasitas, mengaktifkan berakhir 500 jangkauan km di NEV.

4.2 Baterai Sepenuhnya Solid-State

Kemajuan terkemuka meliputi:

• Grup Bollore: Mengembangkan baterai solid-state berbasis PEO dengan 200 Kepadatan energi wh/kg untuk kendaraan listrik kecil.
• Toyota: Penargetan 800 jangkauan km dengan baterai solid-state berbasis sulfida, bertujuan untuk komersialisasi oleh 2025.
• ProLogium (Taiwan): Menciptakan baterai solid-state yang fleksibel dengan kapasitas hingga 833 Kepadatan energi volumetrik Wh/L, mencapai peningkatan efisiensi yang signifikan dalam aplikasi NEV.

5. Kesimpulan

Artikel ini membandingkan elektrolit padat komposit dan sulfida, menyoroti strategi modifikasi antarmuka, dan meninjau kemajuan industri. Kombinasi elektrolit padat tingkat lanjut, rekayasa antarmuka yang ditingkatkan, dan perlindungan logam lithium akan mendorong transisi dari baterai cair dan semi-padat ke sistem yang sepenuhnya solid-state.

Kemajuan teknologi solid-state di masa depan akan memainkan peran penting dalam mencapai kondisi yang lebih aman, baterai berkinerja lebih tinggi untuk kendaraan listrik generasi berikutnya.