Af hverju eru rafhlöður í föstu formi stefna í iðnaði?
Mikið öryggi:
Öryggismál fljótandi rafhlaðna hafa alltaf verið gagnrýnd. Raflausnin er auðveldlega eldfim við háan hita eða alvarlegt högg. Við mikinn straum munu litíumdendrítar einnig virðast stinga í gegnum skiljuna og valda skammhlaupi. Stundum getur raflausnin orðið fyrir aukaverkunum eða brotnað niður við háan hita. Hitastöðugleika fljótandi raflausna er aðeins hægt að viðhalda í allt að 100 gráður, á meðan oxíð solid raflausnir geta náð 800 gráður og súlfíð og halíð geta einnig náð 400 gráður. Föst oxíð eru stöðugri en vökvar og vegna föstu formi þeirra er höggþol þeirra mun hærra en vökva. Þess vegna geta solid-state rafhlöður mætt þörfum fólks fyrir öryggi.
Hár orkuþéttleiki:
Sem stendur hafa solid-state rafhlöður ekki náð meiri orkuþéttleika en fljótandi rafhlöður, en fræðilega geta solid-state rafhlöður náð mjög miklum orkuþéttleika. Solid-state rafhlöður þurfa ekki að vera pakkaðar inn í vökva til að koma í veg fyrir leka eins og fljótandi rafhlöður. Þess vegna er hægt að útrýma óþarfa skeljum, umbúðafilmum, hitaleiðniefnum osfrv. og bæta orkuþéttleikann til muna.
Hár kraftur:
Litíumjónir í fljótandi rafhlöðum eru fluttar með leiðni, en litíumjónir í solid-state rafhlöðum eru með stökkleiðni, sem er hraðari og hefur meiri hleðslu og afhleðsluhraða. Hraðhleðsla hefur alltaf verið erfiðleikar í fljótandi rafhlöðutækni, vegna þess að litíum fellur út ef hleðsluhraði er of hraður, en þetta vandamál er ekki til staðar í alföstu rafhlöðum.
Afköst við lágt hitastig:
Fljótandi rafhlöður virka almennt stöðugt við -10 gráðu til 45 gráður, en farflugsvið þeirra minnkar verulega á veturna. Rekstrarhitastig raflausna í föstu formi er á milli -30 gráður og 100 gráður, þannig að það verður engin minnkun á endingu rafhlöðunnar nema á mjög köldum svæðum og ekki er þörf á flóknu hitastjórnunarkerfi.
Langur líftími:
Meðal rafhlaðna í fljótandi formi er meðallíftími þriggja rafhlaðna 500-1000 lotur og líftími litíumjárnfosfats getur náð 2000 lotum. Þunn filma í föstu formi getur náð 45,000 lotum í framtíðinni og 5C líftíminn á rannsóknarstofunni getur orðið 10.000 sinnum. Þegar hægt er að sameina framleiðslukostnað við sömu orkuþéttleika er kostnaðarhagkvæmni solid-state rafhlöður óviðjafnanleg.
Samanburður á 4 föstum ólífrænum raflausnum
Efnistegundum fastra raflausna má skipta í fjóra flokka: oxíð, súlfíð, fjölliður og halíð. Hver af þessum fjórum tegundum raflausna hefur mismunandi eðlis- og efnafræðilega eiginleika, sem ákvarðar erfiðleika rannsókna og þróunar, framleiðslu og iðnvæðingar og framtíðarmarkaðsstöðu þess.
Oxíð raflausnir:
Kostir: Jónaleiðni er í miðjunni og hún hefur besta rafefnafræðilega stöðugleika, vélrænan stöðugleika og hitastöðugleika. Það er hægt að aðlaga að háspennu bakskautsefnum og málmlitíumskautum. Frábær rafeindaleiðni og jónaval. Á sama tíma hefur magn samfellu búnaðar og framleiðslukostnaðar einnig mikla kosti. Alhliða hæfileikinn er sá umfangsmesti.
Ókostir: Stöðugleiki minnkunar er örlítið lítill, brothættur og getur valdið sprungum.
Oxíð raflausnir hafa mikinn vélrænan styrk, góðan hita- og loftstöðugleika og breiða rafefnafræðilega glugga. Oxíðsöltum má skipta í kristallað og myndlaust ástand. Algengar kristallaðir oxíð raflausnir eru perovskite gerð, LISICON gerð, NASICON gerð og granat gerð. Oxíð raflausnir þola háa spennu, hafa hátt niðurbrotshitastig og hafa góðan vélrænan styrk. Hins vegar er jónaleiðni þess við herbergishita lág (<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), sem dregur verulega úr rúmmálsorkuþéttleika rafhlöðunnar. Með frumefnadópun og breytingum á kornamörkum er hægt að auka stofuhitaleiðni oxíðsölta í stærðargráðuna 10-3 S/cm. Að stjórna kristalrúmmálinu og bæta við fjölliðahúð getur bætt snertingu milli oxíðsöltsins og jákvæðu og neikvæðu rafskautanna. Hægt er að framleiða ofurþunnar raflausnhimnur í föstu formi með lausnar-/grugghúðunaraðferðum.
Súlfíð raflausn:
Kostir: hæsta jónaleiðni, mótstöðu við lítil kornamörk, góð sveigjanleiki og góð jónaval.
Ókostir: lélegur efnafræðilegur stöðugleiki, bregst við litíummálmi og bregst auðveldlega við rakt loft. Kostnaðurinn er hærri og vélrænni eiginleikar eru lélegir. Sem stendur þarf enn að framleiðsla í hanskaboxi sem gerir það erfitt að fjöldaframleiða í stórum stíl.
Súlfíð raflausnir hafa háa stofuhitaleiðni og góða sveigjanleika og hægt er að bæta stöðugleika þeirra með lyfjagjöf og húðun. Súlfíð raflausnir eru nú til í þremur meginformum: gleri, glerkeramik og kristöllum. Súlfíðsölt hafa háa stofuhitaleiðni, sem getur verið nálægt leiðni fljótandi raflausna (10-4-10-2 S/cm), miðlungs hörku, góða líkamlega snertingu við viðmót og góðir vélrænir eiginleikar. Þau eru mikilvæg efni sem hægt er að nota fyrir rafhlöður í föstu formi. Hins vegar hafa súlfíð raflausnir þröngan rafefnafræðilegan glugga, lélegan tengistöðugleika við jákvæð og neikvæð rafskaut og eru mjög viðkvæm fyrir raka. Það getur brugðist við snefilmagni af vatni í loftinu og losað eitrað brennisteinsvetnisgas. Framleiðsla, flutningur og vinnsla hafa mjög miklar umhverfiskröfur. Breytingaraðferðir eins og lyfjanotkun og húðun geta komið á stöðugleika á milli súlfíðs og jákvæðra og neikvæðra rafskauta, sem gerir þær hentugar fyrir ýmsar gerðir af jákvæðum og neikvæðum rafskautsefnum og jafnvel notuð í litíum-brennisteinsrafhlöður.
Undirbúningur súlfíð raflausnar rafhlöður hefur miklar umhverfiskröfur. Súlfíð raflausnir hafa mikla leiðni og eru tiltölulega mjúkir og hægt að framleiða með húðunaraðferðum. Framleiðsluferlið er ekki mjög frábrugðið núverandi framleiðsluferli fljótandi rafhlöðu, en til að bæta viðmótssnertingu rafhlöðunnar er venjulega nauðsynlegt að framkvæma margar heitpressanir eftir húðun og bæta við stuðpúðalagi til að bæta viðmótssnertingu. Súlfíð raflausnir eru mjög viðkvæmir fyrir raka og geta brugðist við snefilmagni af vatni í loftinu til að mynda eitrað gas brennisteinsvetni, þannig að umhverfiskröfur fyrir rafhlöðuframleiðslu eru mjög miklar.
Fjölliða raflausn:
Kostir: gott öryggi, góður sveigjanleiki og viðmótssnerting, auðvelt að mynda filmu.
Ókostir: Jónaleiðni er mjög lítil við stofuhita og varmastöðugleiki er lélegur.
Það er sveigjanlegt og auðvelt í vinnslu og hægt er að bæta leiðni með krosstengingu, blöndun, ágræðslu og bæta við mýkiefni. Helstu fjölliða hvarfefni sem notuð eru í fjölliða raflausn eru PEO, PAN, PVDF, PA, PEC, PPC o.fl. Helstu litíumsöltin sem notuð eru eru LiPF6, LiFSI, LiTFSI o.fl. Fjölliða raflausnir eru einfaldar í undirbúningi, hafa góðan sveigjanleika og vinnsluhæfni, og hægt að nota í sveigjanlegar rafeindavörur eða rafhlöður með óhefðbundnum formum. Það hefur góða líkamlega snertingu við jákvæðu og neikvæðu rafskautin og ferlið er tiltölulega nálægt því sem fyrir eru í litíum rafhlöðum. Það er auðvelt að nota það í fjöldaframleiðslu á rafhlöðum með því að breyta núverandi búnaði. Hins vegar er jónaleiðni fjölliða raflausna við stofuhita yfirleitt mjög lág (<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.
Halíð raflausn:
Kostir: Lítið rafeindaviðnám, mikil jónaval, mikil lækkunarstöðugleiki og ekki auðvelt að sprunga.
Ókostir: Það er enn á rannsóknarstofustigi, hefur lélegan efnafræðilegan stöðugleika og oxunarstöðugleika og hefur mikla jónaþol.
Vegna áberandi kosta og galla halíðs og fjölliða mun framtíðar alþjóðleg samkeppni um rafhlöður í föstu formi aðallega beinast að oxíðum og súlfíðum. Reyndar, vegna lélegs efnafræðilegs stöðugleika, eru þær tegundir efna sem hægt er að velja fyrir súlfíð raflausn mjög þröng, en svo framarlega sem viðeigandi efni og ferlibylting finnast er hægt að bæta úr þessum annmarka.
Hins vegar, frá sjónarhóli iðnvæðingar, munu flóknir ferlar leiða til hærri kostnaðar og stærðarþak, þannig að oxíð raflausnir í föstu formi eru nú meginstraumurinn í þróun solid-state rafhlöður. Frá fljótandi rafhlöðum til solid-state rafhlöður, það verður hálf-solid rafhlaða þrep, og hentugur einn á þessu stigi er oxíð leið. Það er vegna alhliða frammistöðu þess og kostnaðarkosta. Hálf-solid-state rafhlöður geta skipt út núverandi fljótandi rafhlöðum hraðar, smám saman að nýta kosti og hagkvæmni solid-state rafhlöður.
Hins vegar, með framförum tækninnar, er enn óljóst hvort heimurinn muni ráðast af oxíðum eða súlfíðum í framtíðinni. Kjarninn í tækni rafhlöðu í föstu formi er rannsóknir og þróun raflausna í föstu formi. Þrátt fyrir að núverandi fast raflausnefni hafi tekið miklum framförum, eiga þau enn við vandamál að stríða eins og lélegri leiðni, mikilli viðnámsmótstöðu og háum undirbúningskostnaði. Áframhaldandi grunnrannsókna og tæknibyltinga er þörf til að bæta leiðni og stöðugleika fastra raflausna.
