Solid-state baterije: put baterije sljedeće generacije

Solid-state baterije: put baterije sljedeće generacije

Dana 14. maja, prema "The Korea Times" i drugim medijskim izvještajima, Samsung planira da sarađuje sa Hyundaijem na razvoju električnih vozila i obezbjeđivanju baterija i drugih povezanih auto dijelova za Hyundai električna vozila. Mediji predviđaju da će Samsung i Hyundai uskoro potpisati neobavezujući memorandum o razumijevanju o isporuci baterija. Izvještava se da je Samsung predstavio svoju najnoviju solid-state bateriju Hyundaiju.

Prema Samsungu, kada je baterija njegovog prototipa potpuno napunjena, može omogućiti električnom automobilu da vozi više od 800 kilometara istovremeno, sa životnim ciklusom baterije od više od 1,000 puta. Njegova zapremina je 50% manja od litijum-jonske baterije istog kapaciteta. Iz tog razloga se solid-state baterije smatraju najpogodnijim akumulatorima za električna vozila u narednih deset godina.

Početkom marta 2020., Samsung Institut za napredne studije (SAIT) i Samsung istraživački centar Japana (SRJ) objavili su u časopisu "Nature Energy" "High-energetske dugociklične litijum-metalne baterije omogućene srebrom". -Ugljične kompozitne anode" predstavile su svoj najnoviji razvoj u oblasti čvrstih baterija.

Ova baterija koristi čvrsti elektrolit, koji nije zapaljiv na visokim temperaturama, a također može inhibirati rast litijumskih dendrita kako bi se izbjegao kratki spoj. Osim toga, koristi kompozitni sloj srebro-ugljik (Ag-C) kao anodu, koji može povećati gustinu energije na 900Wh/L, ima dug životni vijek od više od 1000 ciklusa i vrlo visoku kulombičku efikasnost (punjenje i efikasnost pražnjenja) od 99.8%. Može pokretati bateriju nakon jedne uplate. Automobil je prešao 800 kilometara.

Međutim, SAIT i SRJ koji su objavili rad su naučnoistraživačke institucije, a ne Samsung SDI, koji se fokusira na tehnologiju. Članak samo pojašnjava princip, strukturu i performanse nove baterije. Preliminarno se procjenjuje da je baterija još uvijek u laboratorijskoj fazi i da će biti teško masovno proizvesti u kratkom periodu.

Razlika između čvrstih baterija i tradicionalnih tekućih litijum-jonskih baterija je u tome što se umjesto elektrolita i separatora koriste čvrsti elektroliti. Nije potrebno koristiti litijum interkalirane grafitne anode. Umjesto toga, metalni litijum se koristi kao anoda, što smanjuje broj anodnih materijala. Napajajuće baterije sa većom gustinom energije tela (>350Wh/kg) i dužim životnim vekom (>5000 ciklusa), kao i posebnim funkcijama (kao što je fleksibilnost) i drugim zahtevima.

Nove sistemske baterije uključuju solid-state baterije, litijumske protočne baterije i metalno-vazdušne baterije. Tri solid-state baterije imaju svoje prednosti. Polimeri elektroliti su organski elektroliti, a oksidi i sulfidi su neorganski keramički elektroliti.

Gledajući globalne kompanije za solid-state baterije, postoje start-upovi, a postoje i međunarodni proizvođači. Kompanije su same u sistemu elektrolita s različitim uvjerenjima i nema trenda protoka tehnologije ili integracije. Trenutno su neki tehnički pravci bliski uslovima industrijalizacije, a u toku je i put ka automatizaciji solid-state baterija.

Evropske i američke kompanije preferiraju polimerne i oksidne sisteme. Francuska kompanija Bolloré preuzela je vodstvo u komercijalizaciji čvrstih baterija na bazi polimera. U decembru 2011. godine, njegova električna vozila napajana čvrstim polimernim baterijama od 30kwh + električni dvoslojni kondenzatori ušla su na zajedničko tržište automobila, što je bilo prvi put u svijetu. Komercijalne solid-state baterije za EV.

Sakti3, proizvođača tankoslojnih oksidnih solid-state baterija, kupio je britanski gigant kućanskih aparata Dyson 2015. Podložan je troškovima pripreme tankog filma i poteškoćama proizvodnje velikih razmjera, a nije bilo masovne proizvodni proizvod dugo vremena.

Maxwellov plan za solid-state baterije je da prvo uđu na tržište malih baterija, da ih masovno proizvode 2020. i da ih koriste u području skladištenja energije 2022. Radi brze komercijalne primjene, Maxwell bi mogao prvo razmisliti o pokušaju polu- solidne baterije u kratkom roku. Ipak, polučvrste baterije su skuplje i prvenstveno se koriste u određenim oblastima potražnje, što otežava primjenu velikih razmjera.

Proizvodi od oksida bez tankog filma imaju odlične ukupne performanse i trenutno su popularni u razvoju. I Taiwan Huineng i Jiangsu Qingdao su dobro poznati igrači na ovoj stazi.

Japanske i korejske kompanije su više posvećene rješavanju problema industrijalizacije sulfidnog sistema. Predstavničke kompanije kao što su Toyota i Samsung ubrzale su svoju implementaciju. Sulfidne solid-state baterije (litijum-sumporne baterije) imaju kolosalan razvojni potencijal zbog svoje velike gustine energije i niske cene. Među njima, Toyotina tehnologija je najnaprednija. Izdao je demo baterije na nivou ampera i elektrohemijske performanse. U isto vrijeme, također su koristili LGPS s višom provodljivošću na sobnoj temperaturi kao elektrolit za pripremu većeg paketa baterija.

Japan je pokrenuo nacionalni program istraživanja i razvoja. Najperspektivniji savez je Toyota i Panasonic (Toyota ima skoro 300 inženjera uključenih u razvoj solid-state baterija). Rečeno je da će komercijalizirati solid-state baterije u roku od pet godina.

Plan komercijalizacije potpuno poluprovodnih baterija koji su razvili Toyota i NEDO počinje razvojem potpuno čvrstih baterija (baterije prve generacije) koristeći postojeće LIB optimistične i štetne materijale. Nakon toga će koristiti nove pozitivne i negativne materijale za povećanje gustoće energije (baterije sljedeće generacije). Očekuje se da će Toyota proizvesti prototipove SSD električnih vozila 2022. godine, a 2025. će koristiti solid-state baterije u nekim modelima. U 2030. gustoća energije može doseći 500Wh/kg kako bi se postigla masovna proizvodnja.

Iz perspektive patenata, među 20 najboljih podnosilaca patentnih zahtjeva za solid-state litijumske baterije, japanske kompanije zauzimaju 11. Najviše se prijavila Toyota, dosegnuvši 1,709, što je 2.2 puta više od drugog Panasonica. Prvih 10 kompanija su sve japanske i južnokorejske, uključujući 8 u Japanu i 2 u Južnoj Koreji.

Iz perspektive globalnog rasporeda patenata nosilaca patenta, Japan, Sjedinjene Države, Kina, Južna Koreja i Evropa su ključne zemlje ili regioni. Pored lokalnih prijava, Toyota ima najveći broj prijava u Sjedinjenim Državama i Kini, što čini 14.7% odnosno 12.9% ukupnih prijava patenata.

Industrijalizacija solid-state baterija u mojoj zemlji je također pod stalnim istraživanjem. Prema kineskom tehničkom planu rute, 2020. godine, postepeno će realizovati čvrsti elektrolit, visoko specifičnu energetsku sintezu katodnog materijala i trodimenzionalnu strukturu okvira od litijumske legure. Prepoznat će proizvodnju uzoraka jedne baterije od 300Wh/kg malog kapaciteta. U 2025., tehnologija upravljanja sučeljem solid-state baterija će ostvariti 400Wh/kg velikog kapaciteta pojedinačnih baterija uzorka i grupne tehnologije. Očekuje se da se solid-state baterije i litijum-sumporne baterije mogu masovno proizvoditi i promovirati 2030. godine.

Baterije sljedeće generacije u IPO projektu prikupljanja sredstava CATL-a uključuju solid-state baterije. Prema izvještajima NE Timesa, CATL očekuje da će postići masovnu proizvodnju solid-state baterija do najmanje 2025. godine.

U cjelini, tehnologija polimernog sistema je najzrelija i rođen je prvi proizvod na nivou EV. Njegova konceptualna i budućnost usmjerena priroda je pokrenula ubrzanje ulaganja u istraživanje i razvoj od strane onih koji su kasnili, ali gornja granica performansi ograničava rast, a miješanje s neorganskim čvrstim elektrolitima će biti moguće rješenje u budućnosti; oksidacija; U materijalnom sistemu, razvoj tankoslojnih tipova je fokusiran na proširenje kapaciteta i proizvodnju velikih razmera, a ukupni učinak nefilmskih tipova je bolji, što je fokus trenutnog istraživanja i razvoja; Sulfidni sistem je najperspektivniji sistem solid-state baterija u oblasti električnih vozila, ali u polarizovanoj situaciji sa ogromnim prostorom za rast i nezrelom tehnologijom, rešavanje bezbednosnih problema i pitanja interfejsa je fokus budućnosti.

Izazovi s kojima se susreću solid-state baterije uglavnom uključuju:

• Smanjenje troškova.
• Poboljšanje sigurnosti čvrstih elektrolita.
• Održavanje kontakta između elektroda i elektrolita tokom punjenja i pražnjenja.

Litijum-sumporne baterije, litijum-vazdušni i drugi sistemi moraju da zamene kompletan okvir strukture baterije, a problemi su sve značajniji. Pozitivne i negativne elektrode solid-state baterija mogu nastaviti da koriste trenutni sistem, a teškoća realizacije je relativno mala. Kao tehnologija baterija sljedeće generacije, solid-state baterije imaju veću sigurnost i gustoću energije i postaće jedini način u post-litijumskoj eri.