Твердотіла батарея

Твердотіла батарея - це акумуляторна технологія, яка використовує тверді електроди і твердий електроліт замість рідких або полімерних гелевих електролітів, що знаходяться в літій-іонних або літієвих полімерних батареях. [1] [2] Матеріали для використання в якості твердих електролітів у твердотільних акумуляторах включають кераміку (наприклад, оксиди, сульфіди, фосфати) та тверді полімери. Твердотілі батареї знайшли застосування в кардіостимуляторах, RFID та носячих пристроях. Потенційно вони безпечніші, з більш високою щільністю енергії, але на разі значно дорожчі у виробництві.

Історія

Між 1831 і 1834 рр. Майкл Фарадей відкрив тверді електроліти сульфіду срібла та фторид свинцю (II), заснувавши твердотільну іоніку . [3] [4]

Це стало початком для твердотілих батарей. [5]

В кінці 1950-х років відбулися перші спроби створити таку батарею. [6] Для цього використовували електроліти на основі срібла, що мали низьку щільність енергії та високий внутрішній опір. Новий клас твердотілого електроліту, розроблений Національною лабораторією Оук-Рідж у 90-х роках, пізніше був застосований у виробництві тонкоплівочних літій-іонних батарей . [7]

У 2011 році Bolloré запустив BlueCar з літій-металевим полімером 30 кВт-год (LMP), в якому використовувався твердий полімерний електроліт, створений розчиненням літієвої солі в солювальному сополімері (поліоксиетилен).

У 2013 році дослідники з Університету Колорадо Боулдер оголосили про розробку твердотілої літієвої батареї з твердим композитним катодом на основі хімічної формули залізо - сірка обіцяючою вищу енергетичну потужність. [8]

У 2014 році дослідники Sakti3 анонсували твердотільний електроліт-літій-іонний акумулятор та заявили про вищу щільність енергії за меншу вартість. [9] Toyota оголосила про свої твердотільні акумуляторні роботи [10] та має найбільшу кількість патентів. [11] У 2015 році компанію Sakti3 придбав Дайсон . [12]

У 2017 році Джон Гудінаф, співавтор літій-іонних батарей, продемонстрував можливість розробки твердотілої батареї на основі скляного електроліту та лужно- металевого аноду, що складається з літію, натрію чи калію . [13] У 2017 році Toyota оголосила про поглиблення і так багаторічного партнерства з Panasonic, включаючи співпрацю щодо твердотілих акумуляторів. [14] Інші автовиробники працюючі над цією технологію включають BMW, [15] Honda, [16] Hyundai Motor Company [17] та Nissan . [18] Дайсон, компанія, відома виробництвом побутової техніки, оголосила про запуск електромобіля до 2020 року. [12] За два роки до оголошення Дайсон купив Sakti3, компанію, яка займається дослідженням твердотілих акумуляторів. Дайсон відмовився від проекту електромобілів у 2019 році, але заявив, що технологія акумуляторів буде розвиватися далі. [19] Компанія Fisker Inc. стверджує, що її твердотільна акумуляторна технологія буде готова до "виробництва на рівні автопрому" у 2023 році. [20] NGK, компанія, відома свічками запалювання, розробляє акумулятори на основі кераміки, використовуючи свій досвід у керамічній галузі. [21]

У 2018 році Solid Power оголосила, що отримала 20 мільйонів доларів США на фінансування невеликої виробничої лінії для твердотілих літій-металевих акумуляторів. [22] Лінія зможе виробляти батареї у кількості що становить сумарно потужність близько 10 мегават годин на рік. [23] Volkswagen оголосив про інвестиці 100 мільйонів доларів у стартап QuantumScape розробляючий твердотільний акумулятор, походженням зі Стенфорда. [24] Китайська компанія Qing Tao запустила виробничу лінію твердотільних акумуляторів. [25]

Основні події продовжували розвиватися в 2018 році, коли Solid Power, відокремлена від дослідницької групи Університету Колорадо Боулдер, [23] отримала 20 мільйонів доларів США від Samsung та Hyundai для створення невеликої виробничої лінії, яка могла б виробляти копії своїх повністю твердотільних перезаряджаємих прототипів літій-металевих акумуляторів, із передбачуваною сумарною потужністю у 10 мегават-годин на рік. QuantumScape, ще один стартап у галузі твердотільних батарей, що був створений колегіальною дослідницькою групою (в даному випадку Стенфордським університетом), притягнув увагу до себе цого ж року, коли Volkswagen оголосив про інвестиції у досліджувальну групу в 100 мільйонів доларів, ставши найбільшим зацікавленим учасником, на пару з Біллом Гейтсом [26]. З метою створення спільного проекту для масового виробництва твердотільних акумуляторів, Volkswagen виділив QuantumScape додатково 200 мільйонів доларів у червні 2020 року та провів IPO QuantumScape на NYSE 29 листопада 2020 року в рамках злиття разом із Kensington Capital Acquisition, щоб залучити додатковий капітал в проект. [27][28]

Qing Tao також розпочав першу китайську виробничу лінію твердотільних акумуляторів у 2018 році, спочатку маючи намір поставити батареї для «спеціального обладнання та цифрових продуктів високого класу»; однак компанія спілкувалася з декількома виробниками автомобілів з наміром потенційно розширития і до автомобільного ринку. [29]

У 2021 році Toyota представить прототип електромобіля, що працює від твердотільних акумуляторів, і надалі планує бути першим автовиробником, який продаватиме електромобіль із твердотільними батареями [30]. Solid Power передбачає "почати офіційний процес з кваліфікації автомобілів" на початку 2022 року, а QuantumScape "запланував старт масового виробництва на другу половину 2024 року" [31]. Fisker, із свого боку, оголосили що їх твердотільна акумуляторна технологія повинна бути готова до "виробництва автомобілів" у 2023 році [32].

26 лютого 2021 року Fisker оголосив, що у зв'язку з непередбаченими труднощами та явними непереборними перешкодами компанія вирішила повністю відмовитись від своїх зусиль в галузі твердотілих батарей. [33]

Матеріали

Матеріали, придатні для використання у якості твердих електролітів у таких акумуляторах, включають кераміку, [34] скло (див. Скляну батарею ), [13] та сульфіди. [35] В основному катоди твердотільних батарей використовують літій, з багатьма випробуваними варіантами, як LiCoO 2, LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2, LiMn 2 O 4 та LiNi 0,8 Co 0,15 Al0.05O 2 . Аноди таких батарей різняться набагато більше, і частково залежать від типу твердотільного електроліту. Наприклад, In, Ge x Si 1− x, SnO – B 2 O 3, SnS –P 2 S 5, Li 2 FeS 2, FeS, NiP 2 та Li 2 SiS 3 . [36]

Одним з перспективних матеріалів для катода є Li-S, який має теоретичну ємність 1670 mAh g -1, "що вдесятеро перевищує ефективне значення LiCoO 2 ". Сірка не може використовуватись як катод у рідких електролітах так як вона розчиняється у більшості рідких електролітів і спричинює різке скорочення терміну експлуатації акумулятора. Саме тому сірка в даний час вивчається в твердому стані. [36] Нещодавно був розроблений керамічний текстиль, який має перспективу при використанні в твердотільному акумуляторі LI-S. Цей текстиль використовувався як роздільник між анодом і катодом, і пропускає іони літію, одночасно перешкоджаючи розчиненню сірки. Результати були багатообіцяючими, проте не досягли теоретично прогнозованої щільності енергії. Результат "роздільник товщиною 500 мкм при 63% використаної площі електроліту" становив "71 Вт / кг". тоді як прогнозована щільність енергії становить 500 Вт / кг. [37]

Твердотільні акумуляторні батареї Li-O <sub id="mwnA">2</sub> подають багато надій на покращення існуючих акумуляторів з їх високою теоретичною ємністю. Однак головна проблема цих пристроїв полягає в тому, що "літієвий анод повинен бути захищеним від впливу атмосфери, тоді як повітряний катод повинен контактувати з нею". [36]

Акумулятор Li / LiFePO 4 також цікавий як твердотіла батарея для електромобілів. Дослідження, проведене в 2010 році, представило цей матеріал як безпечну альтернативу акумуляторним батареям для електромобілів, які "перевершують вимоги USABC-DOE". [38]

Використання

Твердотілі батареї застосовуються в кардіостимуляторах, RFID та в розумному одязі . [39] [40]

Електромобілі

У гібридних та електричних автомобілях застосовуються різні типи акумуляторних батарей, включаючи літій-іон, нікель-металгідрид (NiMH), свинцево-кислотні та електричні двошарові конденсатори (або ультраконденсатори) [41] на основі Li-ion . [42] Автовиробник Bentley вважає що твердотілі акумулятори можуть надати більше свободи у дизайні автомобілів. [43]

Недоліки

Вартість

Твердотілі батареї занадто дорогі у виготовленні [44], а виробничі процеси важко масштабуються, вимагаючи дорогого обладнання для вакуумного осадження. [7] У 2012 році було підраховано, що на основі тодішньої технології вартість одної батареї потужністю 20 Ah коштуватиме 100 000 доларів США, а щоб створити електромобіль з високою дальністю руху, потрібен акумулятор що скадається з 800 до 1000 таких батарей. Вартість також є проблемою для використання твердотільних акумуляторів в інших галузях, таких як смартфони . [39]

Вплив температури та тиску

Можливий вплив на роботу батареї у низьких температурах. [44] Є свідчення про низьку продуктивність твердотілих батарей у таких умовах. [8]

Твердотільні батареї з керамічними електролітами потребують високого тиску для підтримки контакту з електродами. [45] Керамічні прокладки між катодом і анодом можуть зламатись від механічних ушкоджень. [7]

Дендрити
Дендрит металу літію з анода пронизує прокладку і росте в бік катода.

Аноди на основі твердого літію (Li) в твердотілих акумуляторах є заміною графітових анодів у літій-іонних батареях, для більшої щільності енергії, безпеки, та швидкої зарядки. Використання літію у анодах спричиняє утворення та ріст дендритів Li за рахунок неоднорідного осадження металу літію. [46]

Дендрити літію проникають у ізоляційну прокладку, що розміщена між анодом та катодом та запобігає короткому замиканню . Проникнувши через прокладку, вони спричиняють короткі замикання, перегрів, пожежежі або навіть вибухи від теплового розширення. [47] Літієві дендрити знижують вихід току ( ефективність ). [48]

Дендрити зазвичай утворюються під час електроосадження [49] що відбувається у процесі зарядки та розряду батареї. Іони літію в електроліті поєднуються з електронами на поверхні анода – утворюючи шар металу літію. [50] В ідеалі осадження літію відбувається рівномірно на аноді. Однак якщо створюються нерівномірні нарости, структури можуть рости як голка, через весь електроліт та / або прокладку. [51]

Стабільна інтерфаза твердого електроліту (SEI) була найефективнішою стратегією уповільнення росту дендриту та досягнення більшої кількості циклів зарядки. [48] Твердотільні електроліти (SSE) можуть запобігати росту дендритів, хоча це питання залишається відкритим. [47] У дослідженнях 2018 року визначено нанопористі керамічні прокладки, що здатні блокувати ріст дендриту літію аж до критичної щільності струму . [52]

Переваги

Вважається, що твердотіла акумуляторна технологія здатна підвищити енергетичну щільність (2,5х) [53] через використання анода літієвого металу.

Можна уникнути використання небезпечних або токсичних матеріалів, що зараз використовуються у виробництві акумуляторів, таких як органічні електроліти. [54]

Оскільки більшість рідких електролітів є горючими, а тверді електроліти є негорючими, твердотільні акумулятори вважаються більш безпечними. Потрібно менше систем безпеки, що збільшує щільність енергії. [1] [54] Останні дослідження показують, що вироблення тепла всередині твердотлої батареї складає лише ~ 20-30% у порівнянні із звичайними батареями з рідким електролітом. [55]

Вважається, що твердотіла акумуляторна технологія дозволить швидше заряджатись. [56] [57] Можлива більша напруга та більше циклів перезарядки. [54] [44]

Примітки
  1. Reisch, Marc S. (20 листопада 2017). Solid-state batteries inch their way toward commercialization. Chemical & Engineering News 95 (46): 19–21. doi:10.1021/cen-09546-bus.
  2. Vandervell, Andy (26 вересня 2017). What is a solid-state battery? The benefits explained. Wired UK. Процитовано 7 січня 2018.
  3. Solid State Ionics: from Michael Faraday to green energy-the European dimension. Science and Technology of Advanced Materials 14 (4): 043502. August 2013. Bibcode:2013STAdM..14d3502F. PMC 5090311. PMID 27877585. doi:10.1088/1468-6996/14/4/043502. Проігноровано невідомий параметр |vauthors= (довідка)
  4. Lee, Sehee (2012). Solid State Cell Chemistries and Designs. ARPA-E. Процитовано 7 січня 2018.
  5. Weppner, Werner (September 2003). Engineering of solid state ionic devices. International Journal of Ionics 9 (5–6): 444–464. doi:10.1007/BF02376599. «Solid state ionic devices such as high performance batteries...»
  6. Owens, Boone B.; Munshi, M. Z. A. (January 1987). History of Solid State Batteries. Defense Technical Information Center (Corrosion Research Center, University of Minnesota). Bibcode:1987umn..rept.....O. Процитовано 7 січня 2018.
  7. Jones, Kevin S.; Rudawski, Nicholas G.; Oladeji, Isaiah; Pitts, Roland; Fox, Richard. The state of solid-state batteries. American Ceramic Society Bulletin 91 (2).
  8. Solid-state battery developed at CU-Boulder could double the range of electric cars. University of Colorado Boulder. 18 вересня 2013. Архів оригіналу за 7 November 2013. Процитовано 7 січня 2018.
  9. Dumaine, Brian (18 вересня 2014). Will this battery change everything?. Fortune Magazine. Процитовано 7 січня 2018.
  10. Greimel, Hans (27 січня 2014). Toyota preps solid-state batteries for '20s. Automotive News. Процитовано 7 січня 2018.
  11. Baker, David R (3 квітня 2019). Why lithium-ion technology is poised to dominate the energy storage future. www.renewableenergyworld.com. Bloomberg. Процитовано 7 квітня 2019.
  12. Vacuum Tycoon James Dyson To Roll Out An Electric Car By 2020. Forbes. 26 вересня 2017. Процитовано 7 січня 2018.
  13. Lithium-Ion Battery Inventor Introduces New Technology for Fast-Charging, Noncombustible Batteries. University of Texas at Austin. 28 лютого 2017. Процитовано 7 січня 2018.
  14. Buckland, Kevin; Sagiike, Hideki (13 грудня 2017). Toyota Deepens Panasonic Battery Ties in Electric-Car Rush. Bloomberg Technology. Процитовано 7 січня 2018.
  15. Solid Power, BMW partner to develop next-generation EV batteries. Reuters. 18 грудня 2017. Процитовано 7 січня 2018.
  16. Krok, Andrew (21 грудня 2017). Honda hops on solid-state battery bandwagon. Roadshow by CNET. Процитовано 7 січня 2018.
  17. Lambert, Fred (6 квітня 2017). Hyundai reportedly started pilot production of next-gen solid-state batteries for electric vehicles. Electrek. Процитовано 7 січня 2018.
  18. Honda and Nissan said to be developing next-generation solid-state batteries for electric vehicles. The Japan Times. Kyodo News. 21 грудня 2017. Процитовано 7 січня 2018.
  19. Dyson scraps plans for electric car (en-GB). 10 жовтня 2019. Процитовано 10 жовтня 2019.
  20. Lambert, Fred (14 листопада 2017). Fisker claims solid-state battery 'breakthrough' for electric cars with '500 miles range and 1 min charging'. Electrek. Процитовано 7 січня 2018.
  21. Tajitsu, Naomi (21 грудня 2017). Bracing for EV shift, NGK Spark Plug ignites all solid-state battery quest. Reuters. Процитовано 7 січня 2018.
  22. Solid Power raises $20 million to build all-solid-state batteries — Quartz. qz.com. Процитовано 10 вересня 2018.
  23. Samsung Venture, Hyundai Investing in Battery Producer. www.bloomberg.com. Процитовано 11 вересня 2018.
  24. Volkswagen becomes latest automaker to invest in solid-state batteries for electric cars. 22 червня 2018.
  25. Lambert, Fred (20 листопада 2018). China starts solid-state battery production, pushing energy density higher.
  26. Lambert, Fred (22 червня 2018). Volkswagen becomes latest automaker to invest in solid-state batteries for electric cars. Electrek (амер.). Процитовано 7 березня 2021.
  27. Wayland, Michael (3 вересня 2020). Bill Gates-backed vehicle battery supplier to go public through SPAC deal. CNBC (англ.). Процитовано 7 березня 2021.
  28. Manchester, Bette (30 листопада 2020). QuantumScape successfully goes public. electrive.com (амер.). Процитовано 7 березня 2021.
  29. Lambert, Fred (20 листопада 2018). China starts solid-state battery production, pushing energy density higher. Electrek (амер.). Процитовано 7 березня 2021.
  30. Toyota's game-changing solid-state battery en route for 2021 debut. Nikkei Asia (en-GB). Процитовано 7 березня 2021.
  31. Power, Solid. Solid Power's High Energy, Automotive-Scale All Solid-State Batteries Surpass Commercial Lithium-Ion Energy Densities. www.prnewswire.com (англ.). Процитовано 7 березня 2021.
  32. Lambert, Fred (14 листопада 2017). Fisker claims solid-state battery 'breakthrough' for electric cars with '500 miles range and 1 min charging'. Electrek (амер.). Процитовано 7 березня 2021.
  33. Fisker Inc. has “completely dropped” solid-state batteries. www.theverge.com (англ.). Процитовано 7 березня 2021.
  34. Chandler, David L. (12 липня 2017). Study suggests route to improving rechargeable lithium batteries. Massachusetts Institute of Technology. «Researchers have tried to get around these problems by using an electrolyte made out of solid materials, such as some ceramics.»
  35. Chandler, David L. (2 лютого 2017). Toward all-solid lithium batteries. Massachusetts Institute of Technology. «Researchers investigate mechanics of lithium sulfides, which show promise as solid electrolytes.»
  36. Takada, Kazunori (1 лютого 2013). Progress and prospective of solid-state lithium batteries. Acta Materialia. The Diamond Jubilee Issue 61 (3): 759–770. ISSN 1359-6454. doi:10.1016/j.actamat.2012.10.034.
  37. Gong, Yunhui; Fu, Kun; Xu, Shaomao; Dai, Jiaqi; Hamann, Tanner R.; Zhang, Lei; Hitz, Gregory T.; Fu, Zhezhen та ін. (1 липня 2018). Lithium-ion conductive ceramic textile: A new architecture for flexible solid-state lithium metal batteries. Materials Today 21 (6): 594–601. ISSN 1369-7021. doi:10.1016/j.mattod.2018.01.001.
  38. Damen, L.; Hassoun, J.; Mastragostino, M.; Scrosati, B. (1 жовтня 2010). Solid-state, rechargeable Li/LiFePO4 polymer battery for electric vehicle application. Journal of Power Sources 195 (19): 6902–6904. Bibcode:2010JPS...195.6902D. ISSN 0378-7753. doi:10.1016/j.jpowsour.2010.03.089.
  39. Carlon, Kris (24 жовтня 2016). The battery technology that could put an end to battery fires. Android Authority. Процитовано 7 січня 2018.
  40. Will solid-state batteries power us all?. The Economist. 16 жовтня 2017. Процитовано 7 січня 2018.
  41. Batteries for Hybrid and Plug-In Electric Vehicles. Alternative Fuels Data Center. Процитовано 7 січня 2018.
  42. Energy Storage. National Renewable Energy Laboratory. Процитовано 7 січня 2018. «Many automakers have adopted lithium-ion (Li-ion) batteries as the preferred EDV energy storage option, capable of delivering the required energy and power density in a relatively small, lightweight package.»
  43. Berman, Bradley (30 грудня 2019). Bentley hints at using solid-state EV batteries as ‘liberator’ of vehicle design. Electrek.
  44. Jones, Kevin S. State of Solid-State Batteries. Процитовано 7 січня 2018.
  45. New hybrid electrolyte for solid-state lithium batteries. 21 грудня 2015. Процитовано 7 січня 2018.
  46. Wood, Kevin N.; Kazyak, Eric; Chadwick, Alexander F.; Chen, Kuan-Hung; Zhang, Ji-Guang; Thornton, Katsuyo; Dasgupta, Neil P. (14 жовтня 2016). Dendrites and Pits: Untangling the Complex Behavior of Lithium Metal Anodes through Operando Video Microscopy. ACS Central Science 2 (11): 790–801. PMC 5126712. PMID 27924307. doi:10.1021/acscentsci.6b00260.
  47. Jiang, Hanqing; Tang, Ming; Duan, Huigao; Wang, Fan; Yang, Haokai; Xu, Wenwen; Hong, Liang; Zeng, Wei та ін. (March 2018). Stress-driven lithium dendrite growth mechanism and dendrite mitigation by electroplating on soft substrates. Nature Energy 3 (3): 227–235. Bibcode:2018NatEn...3..227W. ISSN 2058-7546. doi:10.1038/s41560-018-0104-5.
  48. Cheng, Xin-Bing; Zhang (17 листопада 2015). A Review of Solid Electrolyte Interphases on Lithium Metal Anode. Advanced Science 3 (3): 1500213. PMC 5063117. PMID 27774393. doi:10.1002/advs.201500213.
  49. Zhang, Ji-Guang; Xu, Wu; Henderson, Wesley A. (7 жовтня 2016). Application of Lithium Metal Anodes. Lithium Metal Anodes and Rechargeable Lithium Metal Batteries (Springer International Publishing): 153–188. ISBN 9783319440538. doi:10.1007/978-3-319-44054-5_4.
  50. Harry, Katherine Joann (1 травня 2016). Lithium dendrite growth through solid polymer electrolyte membranes (English). OSTI 1481923. doi:10.2172/1481923.
  51. Newman, John; Monroe, Charles (1 жовтня 2003). Dendrite Growth in Lithium/Polymer Systems A Propagation Model for Liquid Electrolytes under Galvanostatic Conditions. Journal of the Electrochemical Society 150 (10): A1377–A1384. ISSN 0013-4651. doi:10.1149/1.1606686.
  52. Bazant, Martin Z.; Brushett, Fikile R.; Li, Ju; Su, Liang; Kushima, Akihiro; Wang, Miao; Guo, Jinzhao; Bai, Peng (21 листопада 2018). Interactions between Lithium Growths and Nanoporous Ceramic Separators. Joule (English) 2 (11): 2434–2449. ISSN 2542-4785. doi:10.1016/j.joule.2018.08.018.
  53. Dudney, Nancy J; West, William C; Nanda, Jagjit, ред. (2015). Handbook of Solid State Batteries. Materials and Energy 6 (вид. 2nd). World Scientific Publishing Co. Pte. ISBN 978-981-4651-89-9. doi:10.1142/9487.
  54. Bullis, Kevin (19 квітня 2011). Solid-State Batteries - High-energy cells for cheaper electric cars. MIT Technology Review. Процитовано 7 січня 2018.
  55. Inoue, Takao; Mukai, Kazuhiko (18 січня 2017). Are All-Solid-State Lithium-Ion Batteries Really Safe?–Verification by Differential Scanning Calorimetry with an All-Inclusive Microcell. ACS Applied Materials & Interfaces 9 (2): 1507–1515. ISSN 1944-8244. PMID 28001045. doi:10.1021/acsami.6b13224.
  56. Eisenstein, Paul A. (1 січня 2018). From cellphones to cars, these batteries could cut the cord forever. NBC News. Процитовано 7 січня 2018.
  57. Limer, Eric (25 липня 2017). Toyota Working on Electric Cars That Charge in Minutes for 2022. Popular Mechanics. Процитовано 7 січня 2018.
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.