Bateri Keadaan Pepejal
Contents in this article

Pengenalan bateri keadaan pepejal

Dalam bateri, ion positif bergerak antara elektrod negatif dan positif melalui konduktor ion dan menghantar elektron untuk menghasilkan arus elektrik. Dalam bateri konvensional contohnya bateri litium-ion , konduktor ionik ialah sebatian organik cecair yang sangat mudah terbakar yang merupakan kelemahan yang ketara. Pelbagai proses penyelidikan dan pembangunan yang diterima pakai mensintesis pelbagai sebatian untuk mencari konduktor pepejal berprestasi tinggi bagi menggantikan konduktor cecair. Penyelidik telah menemui konduktor ion keadaan pepejal yang melebihi prestasi konduktor ion litium konvensional. cth: LGPS sulfida elektrolit pepejal (LGPS: litium, germanium, fosforus, sulfur)

Apakah bateri keadaan pepejal? Pendekatan teknologi yang mempunyai potensi lebih tinggi untuk keselamatan yang lebih tinggi, ketumpatan tenaga yang lebih tinggi dan keberkesanan kos. Bateri keadaan pepejal adalah masa depan untuk teknologi bateri dalam elektronik pengguna dan kenderaan elektrik. Katod, anod, pemisah, dan elektrolit membentuk bateri litium-ion. Larutan elektrolit cecair digunakan dalam bateri keadaan cecair (bateri litium-ion), yang digunakan dalam telefon pintar, alatan kuasa dan kenderaan elektrik. Bateri keadaan pepejal, sebaliknya, menggunakan elektrolit pepejal dan bukannya elektrolit cecair seperti yang digunakan dalam bateri konvensional.

Elektrolit dalam bateri ialah campuran kimia konduktif yang membenarkan arus mengalir antara anod dan katod. Pemisah mengelakkan litar pintas. Bateri keadaan pepejal ialah sel elektrokimia dengan anod, katod, dan elektrolit, sama seperti bateri lain. Elektrod dan elektrolit adalah pepejal, tidak seperti bateri asid plumbum.

Bateri Li-ion yang tersedia secara komersial mempunyai pemisah yang memegang katod dan anod yang dipisahkan oleh larutan elektrolit cecair. Bateri keadaan pepejal, sebaliknya, menggunakan elektrolit pepejal dan bukannya larutan elektrolit cecair, dan elektrolit pepejal juga bertindak sebagai pemisah. Bateri ini adalah penting dan amat diperlukan untuk meningkatkan kapasiti bateri EV keadaan pepejal. Ia mudah terbakar, dan peluang untuk meletup boleh diabaikan. Contoh bateri keadaan pepejal ialah kaca litium fosfat. Ketumpatan tenaga adalah tinggi dalam bateri ini.

Kapasiti tenaga bagi bateri keadaan pepejal adalah lebih besar daripada bateri Li-ion dengan larutan elektrolit cecair. Memandangkan tiada kemungkinan letupan atau kebakaran, tidak ada keperluan untuk komponen keselamatan, yang menjimatkan ruang. Bateri boleh membungkus tenaga dua kali lebih banyak berbanding bateri litium-ion yang mengakibatkan peningkatan kuasanya. Memandangkan hanya beberapa bateri diperlukan, bateri keadaan pepejal boleh meningkatkan ketumpatan tenaga setiap unit luas.

Teknologi bateri keadaan pepejal

SSB memberi tumpuan terutamanya kepada ciri-ciri berikut:

Ketumpatan tenaga yang lebih tinggi:

  • Kos yang lebih rendah: penggunaan bahan yang lebih murah dan proses yang kos efektif dan disebabkan oleh ketumpatan tenaga yang tinggi.
  • Keselamatan yang lebih tinggi: toleransi terhadap pengecasan berlebihan, toleransi kepada pengecasan dalam
  • Pergantungan yang lebih rendah terhadap bahan yang terhad: kurang pergantungan geologi, penggantian bahan seperti litium, kobalt.
  • Kesan alam sekitar yang lebih rendah: tiada bahan toksik, tiada logam berat, tiada bahan kimia berbahaya, pengeluaran mesra alam, bahan mudah dilupuskan atau dikitar semula.
  • Lain-lain: keupayaan nyahcas dalam, cas pantas atau keupayaan nyahcas.

Elektrolit keadaan pepejal adalah komponen utama dalam bateri keadaan pepejal. Terdapat tiga jenis utama bahan elektrolit keadaan pepejal.

Bahan bukan organik: bahan kristal bukan organik, bahan amorf bukan organik. Memandangkan elektrolit bukan organik mempunyai moduli anjal yang tinggi, kestabilan haba/kimia yang kuat, tingkap elektrokimia yang besar, kekonduksian ionik yang tinggi dan kekonduksian elektronik yang rendah, elektrolit ini lebih sesuai untuk reka bentuk bateri tegar yang boleh berfungsi dalam persekitaran yang keras.

Polimer pepejal: cth: polietilena oksida. Walaupun elektrolit polimer mempunyai kekonduksian ionik yang lebih rendah daripada elektrolit pepejal tak organik, ia boleh menyediakan pelbagai geometri, fleksibiliti tinggi, dan memerlukan pemprosesan pengeluaran yang murah dan dipermudahkan. Apabila menyepadukan sel bateri, elektrolit polimer pepejal boleh mencipta pautan elektrod-elektrolit yang berkesan, yang boleh meningkatkan kestabilan elektrokimia dan hayat kitaran bateri. Elektrolit cecair digunakan dalam bateri lithium-ion tradisional, dan ia biasanya membuat sentuhan yang baik dengan elektrod.

Elektrod menyerap cecair seperti span berkat permukaan berteksturnya, menghasilkan kawasan sentuhan yang besar. Secara teorinya, dua pepejal tidak boleh disambung dengan lancar. Akibatnya, rintangan antara elektrod dan elektrolit adalah tinggi. Elektrolit pepejal bertindak sebagai medium pembawa yang stabil untuk elektrod fosfat, yang dicetak skrin pada kedua-dua belah. Bateri keadaan pepejal baharu, tidak seperti bateri lithium-ion tradisional, bebas sepenuhnya daripada bahan beracun atau berbahaya.

Bahan bukan organik dan polimer digabungkan untuk mendapatkan kelebihan kedua-dua jenis bahan. Elektrolit ini menunjukkan kekonduksian ionik yang tinggi dan agak fleksibel.

Sifat mekanikal, elektrikal dan kimia elektrolit pepejal, serta antara muka/interfasanya dengan elektrod anod dan katod, mempunyai kesan yang ketara ke atas kecekapan bateri keadaan pepejal.

Isu asas dalam bateri keadaan pepejal, dengan penekanan pada tiga fenomena penting:

(i) prinsip menghasilkan konduktor ionik termaju,

(ii) perkembangan struktur pada antara muka elektrolit-elektrod yang tidak stabil secara kimia, dan

(iii) implikasi pemprosesan bateri keadaan pepejal, termasuk seni bina elektrod dan elektrolit. Elektrolit keadaan pepejal (SSE) bukan sahaja boleh menyelesaikan isu keselamatan tetapi juga membenarkan penggunaan anod logam dan operasi voltan tinggi.

Bateri keadaan pepejal (SSB) ialah salah satu penyelesaian terbaik untuk generasi bateri akan datang kerana elektrolit pepejal mempunyai kestabilan terma yang lebih tinggi. Tambahan pula, elektrolit pepejal tak organik mungkin berfungsi dalam suhu yang melampau, seperti antara 50 hingga 200°C atau lebih tinggi, di mana elektrolit organik gagal disebabkan oleh pembekuan, pendidihan atau penguraian.

Untuk mencapai output elektrokimia yang dijangkakan apabila menggunakan elektrolit keadaan pepejal semua, empat ciri unik dipertimbangkan. Ciri-ciri ini termasuk:

( i )kekonduksian ion tinggi (+Li> 104 S/cm);

(ii) kekuatan mekanikal yang mencukupi dan sedikit kecacatan struktur untuk menghalang penembusan litium dendrit;

(iii) bahan mentah kos rendah dan proses penyediaan yang mudah; dan

(iv) tenaga pengaktifan yang rendah untuk penyebaran ion litium.

Kelebihan bateri keadaan pepejal

  • Struktur ringkas: elektrolit pepejal bertindak sebagai pemisah yang menghalang sentuhan anod dan katod yang menghasilkan ketumpatan tenaga yang lebih tinggi dan mengelakkan kos pemisah.
  • Voltan tinggi: penguraian elektrolit pepejal adalah tinggi yang seterusnya membawa kepada ketumpatan tenaga yang tinggi.
  • Elektrolit pepejal tidak mudah terbakar.
  • Elektrolit adalah kalis api.
  • Tiada risiko kebocoran elektrolit cecair.
  • Boleh digunakan pada suhu operasi yang lebih tinggi yang membawa kepada julat suhu operasi yang lebih besar.
  • Kemungkinan menyusun sel dalam satu pakej.
  • Struktur sel mudah dan kos pembuatan ringkas menjadikan bateri keadaan pepejal menjimatkan kos.
  • Mengecas bateri keadaan pepejal 6 kali lebih cepat daripada bateri keadaan cecair.
  • Jangka hayat bateri keadaan pepejal boleh bertahan sehingga 10 tahun.
Bateri Keadaan Pepejal

Kelemahan bateri keadaan pepejal

  • Dendrit adalah isu paling serius dengan bateri keadaan pepejal, selain daripada kos. Dendrit ialah penghabluran logam litium yang bermula di anod dan boleh merebak ke seluruh bateri. Ini berlaku apabila ion dalam elektrolit pepejal bergabung dengan elektron untuk mencipta kepingan logam litium pepejal kerana pengecasan dan nyahcas arus yang tinggi.
  • Bateri ini tidak digunakan secara meluas dalam elektronik pengguna dan kenderaan elektrik kerana ia sangat mahal. bateri keadaan pepejal mempamerkan kinetik yang lebih perlahan disebabkan oleh:
  • Kekonduksian ionik yang rendah
  • Rintangan antara muka yang tinggi
  • Sentuhan antara muka yang lemah

Bagaimanakah bateri keadaan pepejal berfungsi?

Seperti yang dinyatakan sebelum ini, bateri keadaan pepejal menggunakan membran elektrolit pepejal dengan bahan elektrod positif dan negatif pepejal. Semasa cas atau nyahcas, ion berhijrah ke dalam matriks pepejal konduktif ion dan bukannya garam ionik yang dilarutkan dalam larutan, menyebabkan tindak balas cas atau nyahcas berlaku. Tindak balas redoks digunakan untuk menyimpan dan mengagihkan tenaga dalam bateri keadaan pepejal. Anod mengalami pengoksidaan, manakala katod mengalami pengurangan, dan bateri boleh menggunakan fenomena ini untuk menyimpan (mengecas) dan melepaskan (menyahcas) tenaga seperti yang diperlukan.

Semasa menyahcas tenaga, ion menyebabkan tindak balas kimia antara bahan bateri yang dipanggil ‘Redoks,’ di mana pengoksidaan berlaku di anod untuk mencipta sebatian dengan elektron bebas, yang membekalkan tenaga elektrik, dan pengurangan berlaku pada katod untuk mencipta sebatian yang mendapat elektron dan oleh itu pelihara kuasa. Mekanisme diterbalikkan apabila bateri dicas. Ion bercas positif melalui elektrolit dari elektrod negatif (anod) ke elektrod positif (katod) apabila menyahcas bateri keadaan pepejal (katod). Ini menyebabkan cas positif berkembang dalam katod dan menyerap elektron daripada anod.

Walau bagaimanapun, oleh kerana elektron tidak boleh melalui elektrolit , ia mesti bergerak melalui litar, memberikan kuasa kepada apa sahaja yang dilekatkan padanya, seperti motor elektrik. Dalam proses pengecasan, ion berhijrah ke anod, mengumpul cas yang menyerap elektron daripada katod melalui litar. Bateri diandaikan dicas sepenuhnya apabila tiada lagi ion boleh mengalir ke elektrod negatif. Bateri keadaan pepejal memerlukan bahan tambahan dan pengikat yang berbeza dalam lapisannya untuk mengekalkan kekonduksian yang tinggi semasa berbasikal. Bahan juga mesti dipegang di bawah tekanan untuk mengekalkan sentuhan semasa tempoh pengecasan dan pelepasan. Pengembangan dan pengecutan biasa bahan semasa kitaran pengecasan dan nyahcas menambah kesukaran untuk mengekalkan sentuhan yang kukuh.

Kitaran hayat dan pengeluaran sel mungkin terjejas jika pengembangan dan pengecutan melemahkan ikatan dari semasa ke semasa. Bateri keadaan pepejal juga memudahkan tahap pek, di mana sel individu dipasang, berbanding dengan bateri Li-ion. Bateri keadaan pepejal tidak memerlukan banyak cara untuk mengawal haba kerana kecekapannya bertambah baik apabila suhu meningkat.

Kadar caj dan nyahcas keseluruhan, serta kekonduksian ionik elektrolit pepejal, meningkat apabila suhu meningkat. Akibatnya, suhu operasi muktamad sel keadaan pepejal hanya dikekang oleh takat lebur litium, iaitu 180°C. Tambahan pula, ketiadaan elektrolit cecair Li-ion yang mudah terbakar menghapuskan kebimbangan reka bentuk mengenai sel bencana atau kegagalan pek. Bateri keadaan pepejal berasaskan logam litium harus digunakan sebagai alternatif bateri Li-ion kerana anod grafit yang digunakan dalam bateri Li-ion biasa mempunyai potensi yang rendah berbanding litium (0.20 V), menawarkan ketumpatan tenaga isipadu yang lebih besar dengan voltan dan prestasi yang setara. .

Adakah bateri keadaan pepejal tersedia?

Perentak jantung, RFID dan peranti mudah alih menggunakan bateri keadaan pepejal. Sebahagian daripada bateri ini digunakan dalam aplikasi angkasa lepas. Pendekatan pengkomersilan untuk bateri keadaan pepejal dalam pasaran kereta EV/HEV. Untuk membawa bateri keadaan pepejal bukan sahaja tentang membangunkan elektrolit keadaan pepejal yang sesuai tetapi mempertimbangkan ciri-ciri seperti:

  • Menjamin bekalan dan penjualan bahan.
  • Peralatan dan pembangunan pembuatan sel dan pek.

Walaupun bertahun-tahun pembangunan, ramai pemain tidak berjaya membawa bateri keadaan pepejal ke pasaran. Pada suhu bilik, elektrolit ionik biasanya adalah beberapa urutan magnitud lebih rendah daripada elektrolit cecair. Ini adalah salah satu halangan utama untuk pengkomersilan bateri keadaan pepejal. Walaupun konsep bateri keadaan pepejal telah wujud selama beberapa dekad, kemajuan hanya kini dicapai, hasil daripada pelaburan daripada firma elektronik, pengeluar kereta dan pembekal industri am.

Mengapa bateri keadaan pepejal lebih baik?

Bateri keadaan pepejal menawarkan beberapa faedah berbanding rakan sejawatnya yang dipenuhi cecair, termasuk hayat bateri yang lebih lama, masa pengecasan yang lebih cepat dan pengalaman yang lebih lancar. Daripada menggantung elektrod dalam elektrolit cecair, bateri keadaan pepejal memampatkan anod, katod dan elektrolit ke dalam tiga lapisan rata. Akibatnya, ia boleh dibuat lebih kecil—atau sekurang-kurangnya menonjolkan masih membawa jumlah tenaga yang sama seperti bateri pelarut yang lebih besar.

Jadi, apabila telefon atau komputer riba mempunyai bateri litium-ion atau litium-polimer dengan bateri keadaan pepejal kapasiti yang sama, ia akan bertahan lebih lama. Sistem dicipta yang membawa jumlah cas yang sama tetapi jauh lebih kecil dan nipis. Bateri keadaan pepejal, apabila digunakan untuk menggerakkan peranti semasa atau kenderaan elektrik, bateri boleh mengecas semula dengan lebih cepat kerana ion boleh bergerak dari katod ke anod dengan lebih cepat. Bateri keadaan pepejal boleh mempamerkan pelbagai bateri boleh dicas semula dari segi kapasiti sebanyak 500 peratus atau lebih dan mengecas dalam sepersepuluh masa. Bateri keadaan pepejal kurang berbahaya kepada alam sekitar.

Bateri filem nipis keadaan pepejal kurang berbahaya kepada alam sekitar berbanding bateri konvensional. Memandangkan bateri keadaan pepejal mempunyai prestasi dan ketumpatan tenaga yang lebih tinggi, ia tidak memerlukan komponen penyejukan dan kawalan seperti yang dilakukan oleh bateri litium-ion, menghasilkan saiz keseluruhan yang lebih kecil, lebih banyak kebebasan peranti dan berat yang lebih rendah.

Memandangkan bateri keadaan pepejal tahan terhadap kakisan elektrod yang disebabkan oleh bahan kimia dalam elektrolit cecair atau pembentukan lapisan pepejal dalam elektrolit yang memendekkan hayat bateri, bateri keadaan pepejal boleh mengendalikan lebih banyak kitaran nyahcas dan pengecasan berbanding bateri litium-ion. Bateri keadaan pepejal boleh dicas semula sehingga tujuh kali ganda lebih banyak daripada bateri litium-ion, membolehkannya sepuluh tahun dan bukannya beberapa tahun bateri litium-ion dimaksudkan untuk bertahan. Institusi pendidikan, pengeluar bateri dan pakar bahan semuanya sedang menyiasat bateri keadaan pepejal boleh diubah menjadi sumber kuasa generasi akan datang untuk kegunaan meluas.

Adakah bateri keadaan pepejal mengecas lebih cepat?

Sesetengah elektrolit pepejal mempunyai kekonduksian ionik lebih daripada 5 mS/cm dan merupakan konduktor ion tunggal. Pada arus tinggi, ini menghalang rintangan polarisasi daripada terkumpul dalam elektrolit pepejal. Akibatnya, pengecasan pantas berpotensi untuk dilaksanakan. Bateri keadaan pepejal menggunakan bahan pepejal, biasanya sebatian polimer atau seramik, untuk menggantikan elektrolit cecair mudah terbakar dalam bateri litium-ion. Anod litium-logam telah diperkenalkan sebagai pengganti grafit tradisional atau anod silikon. Usaha untuk membangunkan bateri litium-logam keadaan pepejal ini berpotensi menggandakan ketumpatan tenaga sambil mengurangkan masa pengecasan dengan ketara.

Bagaimanakah bateri keadaan pepejal dibuat?

Dalam bateri keadaan pepejal, hanya terdapat dua lapisan utama, katod elektrod positif dengan sentuhan elektrik dengan pemisah seramik keadaan pepejal yang menggantikan pemisah polimer, yang menggantikan pemisah polimer berliang yang terdapat dalam bateri lithium-ion konvensional. Elektrolit semua keadaan pepejal bergantung pada konduktor superionik dan antara muka yang dioptimumkan.

Cabaran untuk membangunkan elektrolit keadaan pepejal yang baik adalah untuk mengatasi antara muka, sempadan tiga fasa di mana elektrod positif, ion, dan elektron perlu diangkut secara serentak, yang memerlukan fasa yang sangat terputus-putus. Mencapai pengangkutan elektron dan ion serentak pada antara muka dan kawalan antara muka adalah satu cabaran.

Isu kestabilan kimia dengan elektrolit positif dan kestabilan oksidatif elektrolit dengan kehadiran karbon dan isu dendrit ion logam memerlukan penggabungan antara muka yang dilindungi. Elektrolit pepejal mempunyai kekonduksian ion yang lebih rendah daripada elektrolit cecair mengikut susunan magnitud. Ia juga penting untuk mengoptimumkan rintangan pada antara muka elektrolit-elektrod.

Cabaran untuk elektrolit pepejal untuk bateri:

Elektrod positif komposit tebal dengan jisim aktif yang tinggi: kekonduksian ionik tinggi elektrolit keadaan pepejal. Antara muka yang stabil dengan aktiviti oksida dan redoks rendah dengan bahan tambahan pengalir elektronik.

Membran elektrolit pepejal jisim rendah nipis harus mempunyai sifat mekanikal yang baik, kemuluran, dan kawalan tekanan dinamik.

Semua elektrolit SSB menawarkan gabungan kekonduksian ionik tinggi yang belum pernah terjadi sebelumnya dan kestabilan yang sangat baik antara anod dan katod. Keserasian anod adalah kunci dalam hal ini kerana ia memberikan faedah utama pada peringkat sel berbanding bateri litium-ion konvensional yang lain.

Terdapat tiga elektrolit pepejal utama:

Elektrolit polimer : kelebihan elektrolit polimer ialah kebolehprosesan sel. Kelemahannya ialah kestabilan yang agak lemah terhadap logam dan kekonduksian yang agak lemah pada suhu yang lebih rendah terutamanya.

Kekonduksian ionik yang lebih rendah=pengangkutan ion yang lebih rendah = kurang kuasa.

Elektrolit oksida: mereka mempunyai sifat mekanikal yang ideal, sangat tegar, dan secara kimia stabil terhadap anod logam. Kelemahan utama termasuk keupayaan gred rendah dari segi seberapa cepat ia boleh terhakis menggunakan elektrolit oksida dan mencabar untuk diproses kerana ia memerlukan suhu yang sangat tinggi. Mereka mempunyai kestabilan haba yang lebih tinggi, kebolehprosesan sel yang boleh diabaikan, sensitif kepada kelembapan, dan sederhana dari segi kekonduksian. Elektrolit berasaskan oksida biasanya stabil secara kimia dan boleh digunakan dengan bahan katod bertenaga tinggi.

Walau bagaimanapun, kekonduksian ion adalah lebih rendah daripada elektrolit berasaskan sulfida.

Bahan dengan perovskit (LLTO: Lithium Lanthanum Titanium Oxide)

Struktur garnet (LLZO, litium lanthanum zirkonium oksida), serta NASICON (LAGP: Lithium Aluminium Germanium Phosphate), sangat mengagumkan di kalangan elektrolit berasaskan oksida.

Elektrolit sulfida: ia mempunyai sifat mekanikal antara polimer dan oksida itu. Mereka lebih konduktif daripada mana-mana kelas elektrolit. Semua elektrolit yang memecahkan rekod datang daripada bahan kelas sulfida. Mereka mempunyai kekonduksian yang lebih tinggi, kebolehprosesan sel yang lebih tinggi, dan keupayaan haba yang lebih tinggi tetapi sensitif kepada kelembapan. Kekonduksian ionik biasanya lebih tinggi dalam elektrolit berasaskan sulfida, tetapi ia lebih tidak stabil secara kimia.

Pada suhu bilik, litium timah fosforus sulfida (LSPS) amorfus mempunyai kekonduksian ion yang sangat tinggi. Ketidakserasian dengan logam litium, sebaliknya, adalah kebimbangan.

Bahan yang menentukan elektrolit dikenali sebagai bahan tambahan. Aditif ialah sejumlah kecil bahan yang membentuk salutan pelindung pada permukaan katod dan anod. Ia menghalang degradasi bateri dengan memudahkan laluan licin ion litium antara katod dan anod. ,

Aditif katod dan anod adalah dua jenis aditif. Aditif katod menghalang penuaan bateri dengan menstabilkan struktur katod dan melindungi permukaan, menghapuskan terlalu panas dan mengecas berlebihan. Aditif anod melarut lebih cepat daripada pelarut, membentuk filem yang kuat dalam anod yang memanjangkan hayatnya, mengelakkan terlalu panas, dan memastikan bateri dicas. aditif memainkan peranan penting dalam keseluruhan sistem dengan memanjangkan hayatnya, memperbaiki masalah suhu tinggi, dan menurunkan rintangan. ,

Pemisah ialah membran penebat nipis dengan kira-kira empat ciri yang menahan katod dan anod dipisahkan. Kedua, seperti namanya, pemisah melindungi katod dan anod daripada membuat sentuhan dalam bateri.

Kedua, pemisah mempunyai liang bersaiz submikron yang tidak dapat dilihat dengan mata kasar, dan liang berfungsi sebagai saluran untuk ion litium melepasi antara katod dan anod. Memandangkan pemisah mempunyai kestabilan mekanikal yang baik, sifat tegangan memastikan produk sampingan dan bahan asing keluar, memastikan keselamatan. Bahan yang stabil secara elektrokimia dan penebat tinggi boleh digunakan sebagai pemisah. Pemisah sepatutnya mengelakkan interaksi katod dan anod, dan ia membawa kepada isu utama jika ia mengganggu ion litium atau ion lain dalam bateri. Pemisah harus dapat memastikan perlindungan dengan menutup liang dan menghalang pergerakan ion jika suhu bateri melebihi had tertentu.

Akhir sekali, pemisah SSB hendaklah cukup kecil untuk membolehkan lebih banyak bahan aktif dimasukkan ke dalam bateri, meningkatkan ketumpatan tenaga. Untuk mengelakkan kerosakan dan memastikan perlindungan, mereka juga harus mempunyai kuasa mekanikal yang tinggi.

Keperluan elektrolit pepejal

Elektrolit pepejal dengan gabungan sifat tertentu akan diperlukan untuk pengkomersilan bateri keadaan pepejal. Untuk menjadi pengganti elektrolit cecair yang sesuai, elektrolit pepejal mesti mempunyai kekonduksian litium ionik lebih daripada 0.1 mS/cm. Sama ada elektrolit mestilah stabil secara kimia kepada pengurangan litium, atau lapisan tindak balas pasif mesti dibentuk. Untuk mengekalkan rintangan sel dalaman rendah, elektrolit perlu membentuk antara muka rintangan rendah.

Pada antara muka logam alkali, di mana lapisan substrat yang bertindak balas atmosfera, oksida terkurang, dan pembasahan yang tidak homogen semuanya boleh membawa kepada rintangan antara muka yang besar, mewujudkan antara muka rintangan rendah menambah kerumitan., elektrolit mesti mempunyai kekuatan yang mencukupi dan keliatan patah untuk mengelakkan penyebaran filamen litium melalui elektrolit. Pada kedua-dua potensi anod dan katod, elektrolit mestilah stabil.

Bentuk elektrolit pepejal

Oleh kerana elektrolit pepejal polimer mempunyai kekonduksian ionik yang rendah, ia biasanya digunakan pada suhu yang lebih tinggi (60°C–80°C) untuk mendapatkan faedah pengangkutan ionik yang lebih tinggi. Walaupun polimer mudah digunakan, sifat mekanikalnya tidak mencukupi untuk memastikan anod logam litium stabil.

Akibatnya, elektrolit pepejal tak organik telah mendapat pengiktirafan yang paling tinggi. Kekonduksian elektrolit sulfida pepejal adalah antara yang paling kuat daripada semua elektrolit pepejal.

Walaupun terdapat banyak kimia, sistem Li2 S-P2 S5 adalah yang paling banyak digunakan. Dalam rangka kerja Li2 S-P2 S5, elektrolit boleh berkaca, berhablur, atau sebahagiannya berhablur. Elektrolit Li2 S-P2 S5 yang tidak didop mempunyai kestabilan elektrokimia yang rendah dengan litium, manakala versi didop telah meningkatkan kestabilan. Pada suhu bilik atau di bawah 400°C, sifat mulur elektrolit sulfida membolehkannya dimampatkan menjadi padat dengan penyambungan elektrokimia yang baik antara zarah. Akibatnya, elektrolit sulfida adalah elektrolit pepejal tak organik yang paling mudah untuk diproses.

Walau bagaimanapun, kereaktifan dengan wap air di udara boleh menjadi masalah dengan komposisi elektrolit sulfida tertentu, membebaskan H2 S dan merendahkan elektrolit. Akibatnya, ia biasanya diproses dalam argon atau persekitaran bilik kering dengan kelembapan rendah.

Elektrolit pepejal berasaskan oksida ialah bentuk kedua bagi elektrolit pepejal tak organik. Terdapat beberapa bentuk yang berbeza, tetapi garnet Li7 La3 Zr2 O12 adalah yang paling biasa. Pada suhu bilik, elektrolit oksida pepejal mempunyai kekonduksian ionik yang kuat, julat elektrokimia terluas, dan kestabilan kimia maksimum terhadap litium. Tambahan pula, bahan oksida mempunyai moduli keanjalan dan keliatan patah tertinggi bagi mana-mana elektrolit pepejal, menjadikannya sesuai untuk kestabilan fizikal anod logam litium dan jangka hayat sel jangka panjang. Walaupun mempunyai campuran terbaik sifat elektrokimia, elektrolit tumpat dengan kekonduksian ionik yang tinggi memerlukan suhu pensinteran 1,000°C – 1,300°C.

Rintangan kepada dendrit atau pembangunan filamen litium dalam elektrolit pepejal cenderung dikaitkan dengan ketumpatan arus atau jumlah arus sel dibahagikan dengan kawasan keratan rentas elektrolit. Akibatnya, sel boleh gagal pada ketumpatan arus kritikal (CCD) apabila logam litium menembusi sel. Pengecasan stabil boleh dilakukan pada ketumpatan semasa di bawah nilai kritikal ini. Penyaduran arus malar litium dalam sel asimetri dengan elektrod litium pada kedua-dua belah elektrolit pepejal ialah pemeriksaan CCD standard.

Dalam penyediaan elektrolit pepejal sulfida LGPS, struktur bahan dianalisis dengan rasuk neutron. Penyelidik dapat memerhatikan pergerakan linear ion di dalam struktur molekul konduktor pepejal. Sebuah terowong diperhatikan dalam struktur 3Dnya. Pergerakan ion litium diperhatikan dalam terowong ini. Dengan petunjuk ini, penyelidik dapat membuat penambahbaikan pada kekonduksian dan kestabilan ionik bahan, membangunkan dua bahan baharu dengan menambahkan sedikit klorin pada LGPS. Bahan-bahan ini mempamerkan prestasi konduktor ionik tertinggi di dunia.

Bahan-bahan ini dianalisis dengan difraktometer reka bentuk bahan. Hasilnya menunjukkan struktur inovatif yang membenarkan ion bergerak dalam tiga dimensi dan bukan hanya satu. Inilah yang menjadikan prestasi tertinggi bahan mungkin. Di antara pelbagai jenis sel generasi baru yang telah dibangunkan, bahan-bahan ini menjadi elektrolit yang kuat untuk digunakan dalam semua SSB.

SSB ini mempunyai ketumpatan tenaga yang lebih tinggi sedikit dan output kuasa yang lebih tinggi jika dibandingkan dengan bateri lithium-ion. Oleh itu, kebaikan semua SSB direka bentuk untuk mempunyai bateri berkapasiti tinggi yang padat yang boleh dicas semula dalam tempoh yang singkat. Sebagai produk penyelidikan khusus dan tahap analisis atom bahan elektrolit, semua SSB baharu ini boleh membawa kepada generasi baharu bateri.

Dalam bateri keadaan pepejal ion litium, semasa bateri dicas, litium meninggalkan perjalanan melalui kekisi atom pemisah seramik keadaan pepejal tidak berliang. Sebaik sahaja litium benar-benar diasingkan ia memendap di antara pemisah dan sentuhan elektrik membentuk anod litium logam tulen. Untuk anod logam litium membolehkan tenaga bateri keadaan pepejal disimpan dalam isipadu tenaga yang lebih kecil yang membolehkan ketumpatan tenaga yang lebih tinggi berbanding dengan bateri litium-ion konvensional. Bateri logam litium keadaan pepejal membolehkan julat yang lebih besar daripada ketumpatan tenaga yang lebih tinggi iaitu cas pantas lima belas minit dan operasi yang lebih selamat dengan menghapuskan pemisah polimer organik.

Bateri litium-ion tenaga tinggi:

  • Penggunaan bahan bertenaga tinggi
  • Katod NMC atau NCA yang kaya dengan nikel, apabila digabungkan dengan anod komposit silikon, menawarkan ketumpatan tenaga Gravimetrik dan isipadu yang lebih tinggi.
  • Pengurangan kos dijangka untuk tujuan pembuatan.
  • Hanya perubahan kecil kepada proses pengeluaran diperlukan.

Bateri Litium keadaan pepejal

Bateri litium-sulfur:

  • Apabila dilepaskan, litium bertindak balas dengan sulfur di katod untuk membentuk litium sulfida.
  • Sulfur, sebagai bahan yang meluas dan kos efektif, menawarkan sel bateri kos rendah.
  • Ketidakpastian mengenai kitaran dan hayat, serta sensitiviti suhu tinggi, terus menggagalkan pertumbuhan segmen pasaran.
  • Pada masa ini, ketumpatan tenaga isipadu cenderung terlalu lemah untuk kegunaan kereta.
Gambarajah nyahcas Caj Bateri Keadaan Pepejal

Bateri litium-udara:

  • Litium teroksida dengan oksigen di bahagian katod apabila dinyahcas, menghasilkan litium peroksida dan litium oksida.
  • Ketumpatan tenaga yang tinggi dan penggunaan udara ambien boleh dilaksanakan secara teknikal.
  • Halangan besar dalam kestabilan kitaran, yang menjadikan aplikasi kereta dalam dekad akan datang kelihatan mustahil.

Kefungsian dan reka bentuk semua SSB

  • Elektrolit pepejal telap ion bertindak sebagai pemisah dan menyediakan pengasingan spatial dan elektrik antara katod dan anod semua SSB
  • Terdapat pelbagai reka bentuk sel untuk dipilih. Sel filem nipis digambarkan dalam rajah di atas. Katod komposit boleh digunakan untuk mencipta lapisan yang lebih tebal.
  • Ion litium berpindah dari anod melalui elektrolit pepejal ke katod apabila semua SSB dinyahcas. Satu kuasa mengalir pada beban luaran pada masa yang sama.
  • Rintangan pada antara muka anod-elektrolit adalah faktor kritikal dalam kecekapan sel bateri. Lembaran luar, seperti getah atau aloi aluminium, boleh digunakan untuk mengurangkan masalah ini.
  • Penimbunan bipolar mungkin disebabkan oleh elektrolit yang kuat. Akibatnya, sel asas disambungkan secara bersiri.

Apakah bateri keadaan pepejal diperbuat daripada?

Bahan bateri keadaan pepejal:

Anod:

Kerana potensi teori mereka untuk mencapai ketumpatan tenaga maksimum, anod logam litium dianggap ideal. Elektrolit yang kuat, sebaliknya, mesti menghalang litium logam daripada membentuk dendrit. Tambahan pula, memandangkan litium membentuk lapisan pasif dengan oksigen atmosfera, pengendalian di bawah suasana lengai diperlukan.

Silikon sebagai bahan anod menawarkan ketumpatan tenaga yang sangat tinggi, tetapi ia melalui banyak perubahan volum apabila ia bercampur dengan litium.

Katod:

Oksida logam digunakan sebagai katod. Oleh kerana terdapat lebih sedikit bahan yang telah direka khusus untuk semua SSB, bahan katod sedia ada digunakan dalam kebanyakan kes.

Pada dasarnya, pelbagai jenis bahan katod terbukti boleh digunakan, berdasarkan elektrolit, berbeza daripada bahan yang murah dan selamat seperti litium besi fosfat (LFP) kepada litium nikel mangan kobalt oksida (NMC). Hanya litium kobalt oksida (LCO) sebagai bahan katod dan LLZO sebagai elektrolit menunjukkan kestabilan dan kecekapan yang mencukupi dalam amalan.

Proses pembuatan semua bateri keadaan pepejal

  • Pemprosesan elektrod dan elektrolit, pemasangan sel dan kemasan sel ialah tiga langkah utama dalam penghasilan semua SSB.
  • Tiada rantaian proses yang benar secara universal; sebagai alternatif, sejumlah besar kemungkinan rantaian proses boleh digunakan. Ini berbeza daripada proses pengeluaran bateri lithium-ion dalam beberapa cara.
  • Kaedah ini membandingkan dan membezakan dua pilihan proses yang berbeza, terutamanya dari segi output elektrod dan elektrolit.

Elektrod dan elektrolit

Pengeluaran —- pemasangan sel—— kemasan sel

Proses A

Proses B

Sintesis sel parit dengan elektrolit pepejal tak organik adalah subjek kedua-dua pilihan proses. Untuk bateri semua keadaan pepejal, format sel kantung cenderung menjadi yang paling sesuai.

Sel prismatik atau bulat:

Oleh kerana komponen pepejal bateri keadaan pepejal, belitan menghadapi cabaran besar. Lapisan seramik yang rapuh boleh mengalami keretakan. Tambahan pula, masalah lekatan lapisan yang betul masih belum dapat diselesaikan.

sel kantung:

Bateri keadaan pepejal mendapat manfaat daripada susunan kerana lapisan rata tidak cacat. Tambahan pula, sebatian lapisan dihasilkan semasa pemprosesan elektrod dan elektrolit, meninggalkan hanya sel asas untuk disusun kemudian.

Bilik kering diperlukan untuk proses pembuatan kerana kereaktifan bahan terhadap atmosfera. Apabila bekerja dengan litium logam, gas lengai, seperti argon, disyorkan.

Penilaian menyeluruh tentang kebolehgunaan kemahiran yang diperoleh dalam pembangunan sel bateri litium-ion dilakukan untuk setiap peringkat proses.

Penghasilan elektrod dan elektrolit melalui proses A:

  • Sebatian katod, elektrolit, dan anod terbentuk dalam pemprosesan elektrod dan elektrolit.
  • Sel asas wujud selepas pembangunan elektrod dan elektrolit.
  • Ciri utama rantai proses pertama, Rantai Proses A, ialah proses penyemperitan berterusan di mana lapisan terbentuk dan kemudian dilaminasi.
  • Rantaian proses ini amat sesuai untuk bahan keadaan pepejal berasaskan sulfida.

Pengeluaran katod dan elektrolit (penggabungjalinan):

  • Kaedah pengeluaran
  • Dua industri pengkompaunan berbeza menggunakan cair katod dan elektrolit.
  • Komponen bahan dimasukkan ke dalam tong dipanaskan penyemperit skru berkembar dan boleh disediakan sebagai butiran atau serbuk.
  • Pergerakan putaran extruder membawa tenaga ke dalam komponen bahan. Akibatnya, cair adalah homogen.
  • Zarah elektrolit, yang menurunkan rintangan antara katod dan elektrolit, serta pengikat dan bahan tambahan, dicampur dengan kandungan aktif katod.
  • Molekul elektrolit dan pengikat polimer ialah dua unsur bahan elektrolit.

Parameter dan syarat untuk proses:

  • Kuantiti bahan individu yang akan dibekalkan
  • Suhu dan tekanan dalam silinder
  • Kadar dan tekanan penyemperit
  • Kuasa ricih

Ciri kualiti:

  • Kehomogenan leburan
  • Kelikatan cair
  • Skala dan kuantiti gabungan

Alternatif teknologi:

  • Loji pencampur berprestasi tinggi

Pengeluaran katod dan elektrolit (penyemperitan bersama):

  • Kaedah pengeluaran
  • Dalam acuan yang sesuai, katod dan cair elektrolit diekstrusi bersama. Ini menghasilkan gabungan lapisan katod dan elektrolit.
  • Saluran berasingan memberi makan katod, dan elektrolit cair melalui acuan penyemperitan.
  • Leburan bergerak melalui saluran ke alur keluar acuan penyemperitan. Leburan diekstrusi ke konduktor semasa menggunakan acuan slot.

Parameter dan keperluan proses:

  • Pelarasan ketebalan lapisan
  • Kadar suapan cair
  • Suhu
  • Tekanan
  • Kelajuan berguling
  • Tekanan menekan gulungan kalendar

Ciri kualiti:

  • Ketebalan salutan
  • Lebar lapisan
  • Lekatan antara lapisan

Alternatif teknologi:

  • Percetakan skrin

Tuangan kerajang

Pengeluaran anod (penyemperitan dan kalendar):

  • Semua anod SSB boleh dibuat daripada kerajang litium logam. Penyemperitan dengan kalendar seterusnya boleh digunakan untuk membuat filem litium ini.
  • Litium cecair dituangkan ke dalam silinder penyemperit omboh untuk tujuan ini. Litium kemudiannya diperah ke dalam muncung oleh omboh.
  • Kalendar selepas penyemperitan memastikan kehomogenan dan ketebalan filem optik. Filem ini digulung di bawah ketegangan oleh dua penggelek dengan penggunaan pelincir untuk sebab ini.
  • Penggelek mesti boleh berfungsi dengan kelekatan litium. Penggelek bersalut polimer, seperti yang diperbuat daripada polyacetal, akan mencapai ini.

Parameter dan keperluan proses:

  • Kelajuan penyemperitan
  • Suhu
  • Geometri muncung
  • Tekanan menekan gulungan kalendar
  • Kelajuan bekalan pelincir
  • Kelajuan berguling

Ciri kualiti:

  • Ketebalan filem
  • Lebar kerajang
  • Kehomogenan kerajang litium

Alternatif teknologi:

  • Pemendapan lapisan atom

proses PVD

Pengeluaran kompaun lapisan (laminating):

  • Kerajang litium dilaminasi pada komposit katod-elektrolit selepas ia diproses. Kedua-dua lapisan diletakkan bersama menggunakan penggelek untuk tugas ini.
  • Dua penggelek digunakan untuk memaksa dua lapisan bersama dalam peringkat seterusnya. Untuk mendapatkan daya lekatan yang lebih besar, ini dipanaskan. Polimer menembusi dari satu lapisan ke lapisan seterusnya semasa pemanasan dan tekanan, mewujudkan hubungan antara anod dan elektrolit.
  • Perkataan “kering” dan “basah” laminasi boleh dibezakan. Sehingga laminasi, laminasi basah melembapkan permukaan sentuhan dengan pelarut. Ini memudahkan laminasi suhu rendah dan tekanan rendah.

Parameter dan keperluan proses:

  • Kelajuan penyusuan lapisan
  • Kelajuan berguling
  • Tekanan
  • Pemanasan lapisan pilihan

Ciri kualiti:

  • Lekatan antara lapisan
  • Ketebalan komposit yang dikehendaki
  • Geometri komposit

Alternatif teknologi:

  • Menekan dan pensinteran seterusnya

Proses penghasilan elektrod dan elektrolit B

  • Proses pemendapan wap fizikal (PVD), di mana lapisan individu ditambah satu demi satu, adalah ciri utama rantai prosedur B yang ditunjukkan di bawah.
  • Proses semasa ini, yang menunjukkan langkah pembuatan bateri filem nipis, amat sesuai untuk bateri keadaan pepejal berasaskan oksida .

Penyediaan bahan (Mengisar dan Mencampur):

  • Metodologi pembuatan
  • Kilang bebola digunakan untuk mengasingkan serbuk katod daripada serbuk elektrolit.
  • Bahan mentah dimasukkan ke dalam dram pengisar silinder untuk tugas ini. Bola digunakan sebagai media pengisar dalam dram pengisar ini.
  • Pergerakan putaran silinder menggabungkan bahan permulaan. Tambahan pula, pergerakan putaran memastikan bahawa media pengisaran dan bahan permulaan beralih secara relatif antara satu sama lain apabila yang terakhir dikisar.
  • Selepas itu, serbuk dikalsinasi untuk mencapai sifat serbuk yang diingini.

Keperluan dan parameter proses:

  • Bahan bola
  • Kelajuan
  • Masa pengisaran
  • Bahan silinder
  • Kuantiti bahan permulaan

Ciri kualiti:

  • Saiz zarah serbuk purata
  • Kehomogenan serbuk (darjah pencampuran)

Alternatif teknologi:

  • Proses sol-gel

Pengeluaran kompaun lapisan (permancutan frekuensi tinggi):

Proses pembuatan:

  • Sputtering frekuensi tinggi digunakan untuk mencipta lapisan katod dan elektrolit daripada serbuk katod dan elektrolit. Matlamat untuk proses sputtering pertama kali dibuat daripada serbuk menggunakan sistem die atau hot-pressing.
  • Pengumpul sekarang juga bertindak sebagai substrat proses. Lapisan katod dimendapkan pada fasa pertama. Lapisan elektrolit kemudian diletakkan di atas lapisan katod.
  • Ion ditujukan kepada sasaran operasi sputtering. Atom disingkirkan daripada sasaran dalam langkah ini, yang kemudiannya mencapai fasa gas dan maju ke substrat. Lapisan itu dibangunkan atom demi atom pada permukaan substrat.
  • Ruang vakum digunakan untuk sputtering frekuensi tinggi.

Keperluan dan parameter proses:

  • Suhu
  • Masa pemendapan
  • Tekanan proses
  • Suasana persekitaran
  • Kuasa proses/ketumpatan kuasa
  • Diameter sasaran & jarak sasaran

Ciri kualiti:

  • Ketebalan lapisan pengumpul semasa
  • Ketebalan lapisan katod dan elektrolit

Alternatif teknologi:

  • Pemendapan wap kimia

Pemendapan sebatian lapisan (pensinteran)

Proses pembuatan:

  • Lapisan katod dan elektrolit dimampatkan semasa pensinteran. Dengan meningkatkan ikatan antara dua lapisan, rintangan pada elektrolit-elektrod antara muka boleh dikurangkan.
  • Relau pensinteran digunakan untuk mensinter sebatian katod–elektrolit. Bahan itu dipanaskan hingga di bawah takat leburnya.
  • Keliangan terhasil bahan boleh diubah suai berdasarkan parameter proses yang dipilih.
  • Untuk mengelakkan tindak balas dengan persekitaran, proses pensinteran berlaku dalam suasana lengai atau vakum.
  • Pensinteran amat penting untuk elektrolit pepejal berasaskan oksida untuk mencapai toleransi antara muka yang cukup rendah.

Pengeluaran sebatian lapisan (Sejatan terma):

Proses pengeluaran:

  • Anod boleh digunakan pada sebatian katod –elektrolit menggunakan penyejatan terma. Kandungan anod diperbuat daripada litium logam.
  • Penyejatan terma memerlukan pemanasan litium logam pada suhu di atas takat didih, seperti dengan penyejat rasuk elektron, supaya ia boleh mencapai fasa wap. Dalam kebuk vakum, wap merebak secara seragam.
  • Pemeluwapan membentuk salutan pada permukaan suhu rendah elektrolit.
  • Penyejatan terma berlaku dalam ruang vakum, setanding dengan sputtering.

Please share if you liked this article!

Did you like this article? Any errors? Can you help us improve this article & add some points we missed?

Please email us at webmaster @ microtexindia. com

Please enable JavaScript in your browser to complete this form.
On Key

Hand picked articles for you!

Pemisah Bateri

Pemisah PVC

Apakah pemisah PVC? Pemisah PVC ialah diafragma berliang mikro yang diletakkan di antara plat negatif dan positif bateri asid plumbum untuk mengelakkan sebarang sentuhan antara

Bateri Penyimpanan Plumbum

Bateri Penyimpanan Plumbum – Pemasangan

Pemasangan & pentauliahan bateri simpanan plumbum Panduan untuk Pemasangan & pentauliahan bank bateri penyimpanan plumbum yang besar.Bateri simpanan plumbum atau bateri pegun dipanggil sedemikian, berdasarkan

Kelebihan dan keburukan bateri asid plumbum

Bateri Asid Plumbum

Kelebihan dan keburukan bateri asid plumbum Memang benar untuk mengatakan bahawa bateri adalah salah satu inovasi utama yang telah digabungkan dengan teknologi lain untuk membentuk

e harga bateri beca

Harga Bateri E-Beca

E masuk beca – E harga bateri beca Beca elektrik yang digerakkan oleh bateri e-rickshaw, juga dikenali sebagai tuk-tuk elektrik atau e-rickshaws telah menjadi lebih

Sertai Surat Berita kami!

Sertai senarai mel kami yang terdiri daripada 8890 orang hebat yang mengikuti perkembangan terkini kami tentang teknologi bateri

Baca Dasar Privasi kami di sini – Kami berjanji tidak akan berkongsi e-mel anda dengan sesiapa & kami tidak akan menghantar spam kepada anda. Anda boleh berhenti melanggan pada bila-bila masa.

Want to become a channel partner?

Leave your details & our Manjunath will get back to you

Want to become a channel partner?

Leave your details & our Manjunath will get back to you

Do you want a quick quotation for your battery?

Please share your email or mobile to reach you.

We promise to give you the price in a few minutes

(during IST working hours).

You can also speak with our VP of Sales, Balraj on +919902030022