Прогрес досліджень та промислові застосування автомобільних твердотільних літієвих батарей

Зі швидким розвитком нового енергетичний транспортний засібs (Невс) і зростаючий попит на зберігання енергії в мережі, Необхідність акумуляторів з більшою щільністю енергії та більшою безпекою стає все більш нагальною. Згідно “Енергозберігаючи та нове Енергетичний транспортний засіб Технологічна дорожня карта” Випущено Міністерством промисловості та інформаційних технологій Китаю (Міт), Одноклітинні цілі щільності енергії встановлені для досягнення 300 WH/кг від 2020, 400 WH/кг від 2025, і 500 WH/кг від 2030 (як показано на малюнку 1). Однак, Поточні акумуляторні системи борються за досягнення 400 WH/кг щільності енергії, не 500 WH/кг.

1. Вимоги до продуктивності для автомобільних літієвих акумуляторів

Автомобільні акумулятори повинні відповідати декільком критичним критеріям продуктивності: безпека, висока щільність енергії, висока щільність потужності, Низькі тарифи на самообанять, Широкі діапазони температури експлуатації, тривалий термін експлуатації, і низька вартість.
Для повністю керованих акумуляторами електромобілів (EVS), Енергетичні батареї з високою ємністю та щільністю енергії є важливими. Щоб досягти цього, Літій-іонні живлення акумулятори повинні покращити показники продуктивності, зменшити витрати, Посилити безпеку, і продовжити тривалість життя. Стіл 1 узагальнює ці вимоги.

2. Переваги твердотільних акумуляторів

2.1 Більш висока щільність енергії

Твердотільні акумулятори дозволяють використовувати літієвий метал як анод, з теоретичною здатністю 3800 Mah/g - недоторкано 10 раз, коли графіт. У звичайних рідких електролітних системах, Такі проблеми, як неконтрольований ріст дендриту літію та значне розширення обсягу обмежують використання літієвого металу. Суцільні електроліти, з їх чудовими механічними властивостями, придушити утворення дендриту і дозволити нанесення літієвого металу, тим самим збільшуючи щільність енергії.

2.2 Поліпшення термічної стійкості

Твердотільні акумулятори демонструють кращу термічну стійкість, ніж рідкі електролітні батареї, які схильні до розкладання та вироблення газу при високих температурах. Ключові переваги включають:

1. Полімерна рамка: Твердотільні електроліти мають аморфні полімерні кісточки, які покращують провідність літій-іонів при підвищеній температурі.
2. Неорганічні керамічні електроліти: Ці матеріали демонструють високу температуру розкладання та покращену іонну дифузію при більш високих термічних умовах.

Для порівняння, Рідкі електролітні системи починають деградувати при 80–120 ° C, що веде до внутрішніх коротких схем та термічного втікачів. Навпаки, Більшість твердих електролітів залишаються стабільними за 200 ° C, значно зменшує потребу в системах охолодження в додатках акумулятора.

2.3 Гнучка акумуляторна збірка

Твердодержавні батареї підтримують інноваційні конструкції з'єднання внутрішніх серій, що дозволяє вищі одноклітинні напруги, порівнянні з множинними рідкими клітинами серії. Це зменшує вимоги до упаковки та підвищує ефективність складання.

3. Успіхи в твердотільній акумуляторній технології

3.1 Суцільні електроліти

Тверді електроліти є ключовими для продуктивності твердотільних акумуляторів. Серед різних типів, композитні суцільні електроліти і сульфідні електроліти є найбільш перспективними для комерційних додатків.

3.1.1 Композитні суцільні електроліти

Композитні тверді електроліти поєднують органічні полімерні матриці з неорганічними наповнювачами, Використання переваг обох компонентів для досягнення вищої іонної провідності та механічної міцності.

• Електроліти на основі PEO: Поліетиленоксид (Перо) широко вивчається на його високу діелектричну постійну та літій-іонну здатність. Однак, його погану іонну провідність при кімнатній температурі можна покращити, додавши неорганічні наповнювачі для посилення руху полімерного сегмента.
• Електроліти PVDF-HFP: Полівініліден-фтор-гекссафторопропілен (PVDF-HFP) забезпечує чудову розчинність літій солі та покращена іонна провідність шляхом зменшення кристалічності. Неорганічні наповнювачі можуть ще більше посилити його механічні властивості.

3.1.2 Сульфідні тверді електроліти

Електроліти на основі сульфідів, Отриманий з оксидів, Замініть кисень сіркою, Зниження літій-іонного зв'язування та збільшення іонних транспортних каналів. Це призводить до вищої іонної провідності, термічна стабільність, і механічні властивості.

• Виклики: Сульфіди дуже чутливі до вологи, реагувати з водою для отримання газу H₂s. Щоб вирішити це, Виробництво повинно відбуватися в сухих умовах, або стабільні оксиди можуть частково замінити сульфіди для поліпшення стійкості до вологи.

3.2 Інтерфейс інженерія

Проблеми інтерфейсу в твердотільних акумуляторах значно відрізняються від тих, що перебувають у рідких акумуляторах, Як домінують тверді тверді інтерфейси. Проблеми включають проблеми з фізичними контактами, міжфазні реакції, і посилений опір.

3.2.1 Інтерфейс анода/електроліту

Висока реакційна здатність літієвого металу в рідких системах викликає проблеми безпеки. Суцільні електроліти пом'якшують ці проблеми, але вводять міжфазний опір. Стратегії підвищення ефективності інтерфейсу включають:

• Проектування еластичних міжфазних шарів за допомогою полімерів або гелів для забезпечення м'якого контакту та зменшення імпедансу.
• Працевлаштований Полімеризація in situ Методи створення безшовних інтерфейсів між твердими електродами та електролітами.

3.2.2 Інтерфейс катода/електроліту

Висока ємність, Катоди з високою напругою часто стикаються. Щоб вирішити це, дослідники є:

• Використання модифікацій поверхні та добавок для стабілізації катодно-електролітного інтерфейсу.
• Проектування інтегрованих структур електродів/електролітів, такі як пористі тверді електроліти, які проникають у катодні матеріали.

4. Промислові застосування автомобільних твердотільних акумуляторів

4.1 Напівзворотні батареї

Напівзворотні батареї включають рідкі електроліти в твердотільні системи для зменшення опору інтерфейсу. Наприклад, Weihong New Energy розробив гібридний суцільний рідкий акумулятор 300 WH/кг з 42 Ах потужність, Увімкнення 500 км діапазону в NEVS.

4.2 Повністю твердотільні батареї

Провідні досягнення включають:

• Bolloré Group: Розроблені твердотільні акумулятори на основі PEO з 200 WH/кг щільності енергії для невеликих електромобілів.
• Toyota: Націлювання 800 Діапазон KM з твердотільними акумуляторами на основі сульфідів, прагнення до комерціалізації за допомогою 2025.
• Пролог (Тайвань): Створив гнучкі твердотільні батареї з до 833 WH/L Об'ємна щільність енергії, Досягнення значного підвищення ефективності в додатках NEV.

5. Висновок

У цій статті порівнюються композитні та сульфідні тверді електроліти, Основні стратегії модифікації інтерфейсу, та оглядає промисловий прогрес. Поєднання вдосконалених твердих електролітів, вдосконалена інженерія інтерфейсу, і захист металевих металів призведе до переходу від рідких та напівзморозних акумуляторів до повністю твердих систем.

Майбутні прогрес у твердотільних технологіях відіграватимуть ключову роль у досягненні безпечнішої, Батареї з більш високою ефективністю для електромобілів нового покоління.