Miks on tahkispatareid tööstusharu trend?
Kõrge turvalisus:
Vedelate akude ohutusprobleeme on alati kritiseeritud. Elektrolüüt on kergesti süttiv kõrgel temperatuuril või tugeva mõju all. Suure voolu korral paistavad liitiumdendriidid ka separaatorit läbistavat ja lühist põhjustavat. Mõnikord võib elektrolüüt läbida kõrvalreaktsioone või laguneda kõrgel temperatuuril. Vedelate elektrolüütide termilist stabiilsust saab säilitada ainult kuni 100 kraadini, oksiidsete tahkete elektrolüütide puhul võib see ulatuda 800 kraadini ning sulfiidid ja halogeniidid võivad ulatuda ka 400 kraadini. Tahked oksiidid on stabiilsemad kui vedelikud ja nende tahke vormi tõttu on nende löögikindlus palju suurem kui vedelatel. Seetõttu võivad tahkisakud rahuldada inimeste ohutuse vajadusi.
Kõrge energiatihedus:
Praegu ei ole tahkisakud saavutanud vedelate patareide omast suuremat energiatihedust, kuid teoreetiliselt võivad tahkisakud saavutada väga kõrge energiatiheduse. Tahkispatareisid ei pea pakkima vedelikku, et vältida lekkimist nagu vedelakud. Seetõttu saab eemaldada üleliigsed kestad, ümbriskiled, soojust hajutavad materjalid jne ning energiatihedust oluliselt parandada.
Suur jõud:
Vedelate akude liitiumioonid kantakse juhtivuse kaudu, tahkisakude liitiumioonid aga hüppejuhtimise teel, mis on kiirem ning suurema laadimis- ja tühjenemiskiirusega. Kiirlaadimine on vedelaku tehnoloogias alati raskusi valmistanud, sest liiga kiire laadimiskiiruse korral sadestub liitium, kuid tahkisakude puhul seda probleemi ei esine.
Madala temperatuuri jõudlus:
Vedelakud töötavad üldiselt stabiilselt temperatuuril -10 kraadi kuni 45 kraadi, kuid nende sõiduulatus langeb talvel tõsiselt. Tahkete elektrolüütide töötemperatuur on vahemikus -30 kraadi kuni 100 kraadi, nii et aku tööiga ei vähene, välja arvatud äärmiselt külmades piirkondades, ja pole vaja keerulist soojusjuhtimissüsteemi.
Pikk eluiga:
Vedelakude hulgas on kolmekomponentsete akude keskmine eluiga 500-1000 tsüklit ja liitiumraudfosfaadi eluiga võib ulatuda 2000 tsüklini. Õhukese kile täistahke olek võib tulevikus ulatuda 45,000 tsüklini ja 5C eluiga laboris võib ulatuda 10 000 korda. Kui sama energiatiheduse tootmiskulusid on võimalik ühtlustada, on tahkispatareide kuluefektiivsus võrreldamatu.
4 tahke anorgaanilise elektrolüüdi võrdlus
Tahkete elektrolüütide materjalitüübid võib jagada nelja kategooriasse: oksiidid, sulfiidid, polümeerid ja halogeniidid. Kõigil neil neljal elektrolüütide tüübil on erinevad füüsikalised ja keemilised omadused, mis määravad teadus- ja arendustegevuse, tootmise ja industrialiseerimise keerukuse ning selle tulevase turupositsiooni.
Oksiidelektrolüüdid:
Eelised: ioonjuhtivus on keskel ja sellel on parim elektrokeemiline stabiilsus, mehaaniline stabiilsus ja termiline stabiilsus. Seda saab kohandada kõrgepinge katoodmaterjalide ja metallist liitiumanoodidega. Suurepärane elektrooniline juhtivus ja ioonide selektiivsus. Samal ajal on suuri eeliseid ka seadmete järjepidevus ja tootmiskulud. Terviklik võime on kõige terviklikum.
Puudused: Vähendamise stabiilsus on veidi madal, rabe ja võib põhjustada pragusid.
Oksiidelektrolüütidel on kõrge mehaaniline tugevus, hea termiline ja õhu stabiilsus ning laiad elektrokeemilised aknad. Oksiidelektrolüüdid võib jagada kristalliliseks ja amorfseks olekuks. Tavaliste kristalsete oksiidelektrolüütide hulka kuuluvad perovskiit-, LISICON-, NASICON- ja granaaditüüp. Oksiidelektrolüüdid taluvad kõrgeid pingeid, neil on kõrge lagunemistemperatuur ja hea mehaaniline tugevus. Selle toatemperatuuri ioonjuhtivus on aga madal (<10-4 S/cm), it has poor contact with the solid-solid interface of the positive and negative electrodes, and it is usually thick (>200μm), mis vähendab oluliselt aku mahu energiatihedust. Elemendi dopingu ja terade piiride muutmise abil saab oksiidelektrolüütide toatemperatuuri juhtivust suurendada suurusjärgus 10-3 S/cm. Kristallide mahu reguleerimine ja polümeerkatete lisamine võib parandada liidese kontakti oksiidelektrolüüdi ning positiivsete ja negatiivsete elektroodide vahel. Üliõhukesi tahkeid elektrolüütmembraane saab toota lahuse/lobriga katmise meetoditega.
Sulfiidelektrolüüt:
Eelised: kõrgeim ioonijuhtivus, väikese tera piiri takistus, hea plastilisus ja hea ioonide selektiivsus.
Puudused: halb keemiline stabiilsus, reageerib liitiummetalliga ja reageerib kergesti niiske õhuga. Maksumus on kõrgem ja mehaanilised omadused kehvad. Praegu tuleb tootmine veel läbi viia kindalaekas, mistõttu masstootmine on raskendatud.
Sulfiidelektrolüütidel on kõrge toatemperatuuril juhtivus ja hea plastilisus ning nende stabiilsust saab parandada dopingu ja katmisega. Sulfiidelektrolüüte on praegu kolmes peamises vormis: klaas, klaaskeraamika ja kristallid. Sulfiidelektrolüütide juhtivus toatemperatuuril on kõrge, mis võib olla lähedane vedelate elektrolüütide omale (10-4-10-2 S/cm), mõõdukas kõvadus, hea liidese füüsiline kontakt ja head mehaanilised omadused. Need on olulised tahkisakude kandidaatmaterjalid. Kuid sulfiidelektrolüütidel on kitsas elektrokeemiline aken, halb liidese stabiilsus positiivsete ja negatiivsete elektroodidega ning need on niiskuse suhtes väga tundlikud. See võib reageerida õhus oleva väikese koguse veega ja eraldada mürgist vesiniksulfiidgaasi. Tootmisel, transportimisel ja töötlemisel on väga kõrged keskkonnanõuded. Modifitseerimismeetodid, nagu doping ja katmine, võivad stabiliseerida sulfiid- ja positiivsete ja negatiivsete elektroodide vahelist liidest, muutes need sobivaks erinevat tüüpi positiivsete ja negatiivsete elektroodide materjalide jaoks ning neid kasutatakse isegi liitium-väävelpatareides.
Sulfiidelektrolüütpatareide valmistamisel on kõrged keskkonnanõuded. Sulfiidelektrolüüdid on kõrge juhtivusega ja suhteliselt pehmed ning neid saab toota katmismeetoditega. Tootmisprotsess ei erine väga palju olemasolevast vedelaku tootmisprotsessist, kuid aku liideskontakti parandamiseks on tavaliselt vaja pärast katmist teha mitu kuumpressimist ja liidese kontakti parandamiseks lisada puhverkiht. Sulfiidelektrolüüdid on niiskuse suhtes väga tundlikud ja võivad reageerida õhus leiduva vee jälgedega, tekitades mürgist gaasi vesiniksulfiidi, seega on aku tootmise keskkonnanõuded väga kõrged.
Polümeerne elektrolüüt:
Eelised: hea ohutus, hea paindlikkus ja liidese kontakt, kergesti moodustatav kile.
Puudused: Ioonjuhtivus on toatemperatuuril väga madal ja termiline stabiilsus halb.
See on paindlik ja kergesti töödeldav ning juhtivust saab parandada ristsidumise, segamise, pookimise ja plastifikaatorite lisamisega. Polümeerelektrolüütide peamised polümeersubstraadid on PEO, PAN, PVDF, PA, PEC, PPC jne. Peamised kasutatavad liitiumisoolad on LiPF6, LiFSI, LiTFSI jne. Polümeerelektrolüüte on lihtne valmistada, neil on hea paindlikkus ja töödeldavus, ja seda saab kasutada paindlikes elektroonikatoodetes või ebatavalise kujuga patareides. Sellel on hea füüsiline kontakt positiivsete ja negatiivsete elektroodidega ning protsess on suhteliselt lähedane olemasolevate liitiumakude omale. Seda saab hõlpsasti kasutada akude masstootmisel olemasolevate seadmete ümberkujundamise kaudu. Polümeerelektrolüütide toatemperatuuri ioonjuhtivus on aga üldiselt väga madal (<10-6 S/cm). The most common PEO-based polymer electrolyte also has poor oxidation stability and can only be used for LFP positive electrodes. The room temperature conductivity of polymer electrolytes can be improved by cross-linking, blending, grafting, or adding a small amount of plasticizers with a variety of polymers. In-situ curing can improve the physical contact between the polymer electrolyte and the positive and negative electrodes to the level of liquid batteries. The design of asymmetric electrolytes can broaden the electrochemical window of polymer electrolytes. The battery manufacturing process developed earlier and is relatively mature. The polymer electrolyte layer can be prepared by dry or wet methods. Battery cells assembly is achieved through roll-to-roll compounding between electrodes and electrolytes. Both dry and wet methods are very mature, easy to manufacture large batteries, and are closest to the existing liquid battery preparation methods.
Halogeniidelektrolüüt:
Eelised: madal elektrooniline takistus, kõrge ioonide selektiivsus, kõrge redutseerimisstabiilsus ja seda pole kerge murda.
Puudused: see on endiselt laboratooriumis, sellel on halb keemiline stabiilsus ja oksüdatiivne stabiilsus ning kõrge ioonikindlus.
Halogeniidide ja polümeeride silmapaistvate eeliste ja puuduste tõttu keskendub tulevane ülemaailmne konkurents tahkisakude pärast peamiselt oksiididele ja sulfiididele. Tegelikult on selle halva keemilise stabiilsuse tõttu sulfiidelektrolüütide jaoks valitavate materjalide tüübid väga kitsad, kuid seni, kuni leitakse sobivad materjalid ja protsessi läbimurded, saab seda puudujääki korvata.
Kuid industrialiseerimise vaatenurgast toovad keerulised protsessid kaasa kõrgemaid kulusid ja mastaabi ülemmäära, seega on tahked oksiidid elektrolüüdid praegu tahkisakude väljatöötamise põhivooluks. Alates vedelatest akudest kuni tahkisakudeni on pooltahke aku staadium ja kõige sobivam on selles etapis oksiiditee. Selle põhjuseks on selle terviklik jõudlus ja kulueelised. Pooltahkepatareid saab praeguseid vedelakusid kiiremini asendada, kasutades järk-järgult ära tahkisakude eeliseid ja kulutasuvust.
Tehnoloogia edenedes on aga endiselt ebaselge, kas maailmas hakkavad tulevikus domineerima oksiidid või sulfiidid. Tahkisaku tehnoloogia tuum on tahkiselektrolüütide uurimine ja arendus. Kuigi praegused tahked elektrolüütmaterjalid on teinud suuri edusamme, on neil endiselt probleeme, nagu halb juhtivus, suur liidese takistus ja kõrged ettevalmistuskulud. Tahkete elektrolüütide juhtivuse ja stabiilsuse parandamiseks on vaja jätkuvaid alusuuringuid ja tehnoloogilisi läbimurdeid.
