Твердотельный аккумулятор - Solid-state battery

А твердотельный аккумулятор это аккумулятор технология, которая использует твердые электроды и твердый электролит, вместо жидкости или полимер гелевые электролиты, обнаруженные в литий-ионный или же литиевый полимер батареи.[1][2] Материалы, предлагаемые для использования в качестве твердых электролитов в твердотельных батареях, включают керамику (например, оксиды, сульфиды, фосфаты) и твердые полимеры. Твердотельные батареи нашли применение в кардиостимуляторы, RFID и носимый устройств. Они потенциально более безопасны, с более высокой плотностью энергии, но с гораздо более высокой стоимостью.

Проблемы широкого внедрения включают: энергия и мощность плотность, долговечность, материальные затраты, чувствительность и стабильность.[3]

История

Между 1831 и 1834 годами Майкл Фарадей открыл твердые электролиты сульфид серебра и фторид свинца (II), которые положили начало твердотельная ионика.[4][5]

В конце 1950-х годов в нескольких электрохимических системах использовались твердые электролиты. Они использовали серебро ион, но имел низкий плотность энергии и напряжения элементов, а также высокое внутреннее сопротивление.[6] Новый класс твердотельных электролитов, разработанный Национальная лаборатория Окриджа в 1990-е годы использовался для изготовления тонкопленочные литий-ионные батареи.[7]

В 2011, Боллоре запустила BlueCar с литий-полимерным аккумулятором (LMP) мощностью 30 кВт · ч с полимерным электролитом, созданным путем растворения соли лития в сополимере (полиоксиэтилен ).

В 2013 году исследователи из Университет Колорадо в Боулдере объявила о разработке твердотельной литиевой батареи с твердым композитом катод на основе утюг -сера химия, обещавшая более высокую энергоемкость.[8]

В 2014 году исследователи из Шакти3 объявила о выпуске твердотельной литий-ионной батареи, требующей более высокой плотности энергии при более низкой стоимости.[9] Toyota объявила о своих усилиях по разработке твердотельных батарей[10] и имеет большинство связанных патентов.[11] В 2015 году Sakti3 был приобретен Дайсон.[12]

В 2017 г. Джон Гуденаф, соавтор литий-ионных батарей, представила твердотельную батарею, используя стекло электролит и щелочь -металл анод состоящий из литий, натрий или же калий.[13] Toyota объявила об углублении многолетнего партнерства с Panasonic, включая сотрудничество по твердотельным батареям.[14] Другие производители автомобилей, разрабатывающие технологии твердотельных аккумуляторов, включают: BMW,[15] Honda,[16] Hyundai Motor Company[17] и Nissan.[18] Объявлен производитель бытовой техники Dyson[12] а затем отказались от плана построить электромобиль.[19] Fisker Inc. заявила, что ее технология твердотельных аккумуляторов будет готова к «производству автомобильного уровня» в 2023 году.[20] Свеча зажигания производитель NGK разрабатывает твердотельные батареи на керамической основе.[21]

В 2018 году компания Solid Power, созданная на основе исследования CU Boulder,[22] получил финансирование в размере 20 миллионов долларов на небольшую производственную линию по производству полностью твердотельных перезаряжаемых литий-металлических батарей,[23] с прогнозируемым 10 мегаватт-часы мощности в год.[24] Фольксваген объявила о вложении 100 миллионов долларов в QuantumScape, стартап по производству твердотельных батарей, возникший в Стэнфорде.[25] Китайская компания Qing Tao запустила линию по производству твердотельных батарей.[26]

Материалы

Смотрите также: Твердотельный электролит

Твердотельные электролиты материалы кандидатов включают керамику, такую ​​как ортосиликат лития,[27] стекло[13] и сульфиды.[28]Катоды выполнены на литиевой основе. Варианты включают LiCoO2, LiNi1/3Co1/3Mn1/3О2, LiMn2О4, и LiNi0.8Co0.15Al0.05О2. Аноды различаются больше и зависят от типа электролита. Примеры включают In, GeИксSi1−Икс, SnO – B2О3, SnS –P2S5, Ли2FeS2, FeS, NiP2, и Ли2SiS3.[29]

Одним из перспективных катодных материалов является Li-S, который (в составе твердого литиевого анода / Li2S cell) имеет теоретическую удельную емкость 1670 мАч г−1, "в десять раз больше, чем эффективное значение LiCoO2". Сера делает катод непригодным для применения в жидких электролитах, поскольку она растворима в большинстве жидких электролитов, что значительно сокращает срок службы батареи. Сера изучается в твердотельных приложениях.[29] Недавно был разработан керамический текстиль, который показал себя многообещающим в твердотельной батарее LI-S. Этот текстильный материал способствовал прохождению ионов, а также обрабатывал загрузку серы, хотя он не достиг проектной плотности энергии. Результат «с подложкой из электролита толщиной 500 мкм и использованием площади электролита 63%» составил «71 Вт · ч / кг». при этом проектная плотность энергии составляла 500 Втч / кг.[30]

Li-O2 также обладают высокой теоретической емкостью. Основная проблема этих устройств заключается в том, что анод должен быть изолирован от окружающей атмосферы, а катод должен контактировать с ним.[29]

А Ли /LiFePO4 аккумулятор является перспективным в качестве твердотельного приложения для электромобилей. Исследование 2010 года представило этот материал как безопасную альтернативу аккумуляторным батареям для электромобилей, которые «превосходят цели USABC-DOE».[31]

Использует

Твердотельные батареи нашли потенциальное применение в кардиостимуляторы, RFID и носимые устройства.[32][33]

Электрические транспортные средства

Смотрите также: Электромобиль

В гибридных и подключаемых электромобилях используются различные аккумуляторные технологии, в том числе литий-ионные, Никель-металлогидрид (NiMH), Свинцово-кислотные, и электрический двухслойный конденсатор (или ультраконденсатор),[34] во главе с Li-ion.[35]

Вызовы

Расходы

Производство твердотельных батарей традиционно дорогое[36] и использует производственные процессы, которые трудно масштабировать, требуя дорогостоящих вакуумное напыление оборудование.[7] В 2012 году было подсчитано, что на основе современных технологий 20 Ах твердотельный аккумулятор будет стоить АМЕРИКАНСКИЙ ДОЛЛАР$ 100000, а электромобилю с большим запасом хода потребуется от 800 до 1000 таких элементов.[7] Стоимость помешала внедрению твердотельных батарей в других областях, таких как смартфоны.[32]

Чувствительность к температуре и давлению

Работа при низких температурах может оказаться сложной задачей.[36] Когда-то твердотельные батареи отличались низкой производительностью.[8]

Твердотельные батареи с керамика электролиты требуют высокого давления для поддержания контакта с электродами.[37] Твердотельные батареи с керамическими сепараторами могут сломаться от механического воздействия.[7]

Дендриты

Дендрит металлического лития из анода проходит через сепаратор и растет по направлению к катоду.

Твердый литий (Li) металлические аноды в твердотельных батареях являются кандидатами на замену в литий-ионные батареи для высшего плотности энергии, безопасность и быстрая зарядка. Такие аноды, как правило, страдают от образования и роста Li дендриты.[38]

Дендриты проникают в разделитель между анодом и катодом, вызывая короткие замыкания. Это вызывает перегрев, что может привести к пожару и, возможно, даже взрыв из тепловой разгон.[39] Дендриты Li уменьшают кулоновская эффективность.[40]

Дендриты обычно образуются во время электроосаждение[41] в течение зарядка и разрядка. Ионы Li в сочетании с электроны на поверхности анода, когда батарея заряжается, образуя слой металлического лития.[42] В идеале осаждение лития происходит равномерно на аноде. Однако при неравномерном росте образуются дендриты.[43]

Стабильная межфазная фаза твердого электролита (SEI) оказалась наиболее эффективной стратегией для подавления роста дендритов и повышения эффективности цикла.[40] твердотельные электролиты (SSE) могут предотвратить рост дендритов, хотя это остается спекулятивным.[39] Исследование 2018 года выявило нанопористые керамика сепараторы, которые блокируют рост дендритов Li до критических текущие плотности.[44]

Преимущества

Считается, что технология твердотельных батарей обеспечивает более высокую плотность энергии (2,5x),[45] за счет включения анодов из металлического лития.

Они могут избегать использования опасных или токсичных материалов, содержащихся в коммерческих батареях, таких как органические электролиты.[46]

Поскольку большинство жидких электролитов горючие, а твердые электролиты негорючие, считается, что твердотельные батареи имеют меньший риск возгорания. Требуется меньше систем безопасности, что еще больше увеличивает плотность энергии.[1][46] Недавние исследования показывают, что тепловыделение внутри составляет лишь ~ 20-30% от обычных батарей с жидким электролитом при тепловом разгоне.[47]

Считается, что технология твердотельных аккумуляторов обеспечивает более быструю зарядку.[48][49] Также возможно более высокое напряжение и более длительный срок службы.[46][36]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Райш, Марк С. (20 ноября 2017 г.). «Твердотельные батареи продвигаются к коммерциализации». Новости химии и машиностроения. 95 (46): 19–21. Дои:10.1021 / cen-09546-автобус.
  2. ^ Вандервелл, Энди (26 сентября 2017 г.). «Что такое твердотельный аккумулятор? Объяснение преимуществ». Проводная Великобритания. Получено 7 января 2018.
  3. ^ Веппнер, Вернер (сентябрь 2003 г.). «Техника твердотельных ионных устройств». Международный журнал ионики. 9 (5–6): 444–464. Дои:10.1007 / BF02376599. S2CID  108702066. Твердотельные ионные устройства, такие как высокоэффективные батареи ...
  4. ^ Funke K (август 2013 г.). «Ионика твердого тела: от Майкла Фарадея к зеленой энергии - европейское измерение». Наука и технология современных материалов. 14 (4): 043502. Bibcode:2013STAdM..14d3502F. Дои:10.1088/1468-6996/14/4/043502. ЧВК  5090311. PMID  27877585.
  5. ^ Ли, Сихи (2012). "Химия и конструкция твердотельных элементов" (PDF). ARPA-E. Получено 7 января 2018.
  6. ^ Оуэнс, Бун Б.; Мунши, М.З.А. (январь 1987 г.). «История твердотельных аккумуляторов» (PDF). Центр оборонной технической информации. Центр исследования коррозии, Университет Миннесоты. Bibcode:1987г., Отчет ..... O. Получено 7 января 2018.
  7. ^ а б c d Джонс, Кевин С .; Рудавский, Николай Г .; Оладеджи, Исайя; Питтс, Роланд; Фокс, Ричард. «Состояние твердотельных батарей» (PDF). Бюллетень Американского керамического общества. 91 (2).
  8. ^ а б «Твердотельная батарея, разработанная в CU-Boulder, может удвоить запас хода электромобилей». Университет Колорадо в Боулдере. 18 сентября 2013. Архивировано с оригинал 7 ноября 2013 г.. Получено 7 января 2018.
  9. ^ Дюмен, Брайан (18 сентября 2014 г.). "Эта батарея все изменит?". Журнал Fortune. Получено 7 января 2018.
  10. ^ Греймель, Ганс (27 января 2014 г.). «Toyota готовит твердотельные батареи к 20-м годам». Автомобильные новости. Получено 7 января 2018.
  11. ^ Бейкер, Дэвид Р. (3 апреля 2019 г.). «Почему литий-ионная технология может занять доминирующее положение в области хранения энергии будущего». www.renewableenergyworld.com. Bloomberg. Получено 7 апреля 2019.
  12. ^ а б «Вакуумный магнат Джеймс Дайсон выпустит электромобиль к 2020 году». Forbes. 26 сентября 2017 г.. Получено 7 января 2018.
  13. ^ а б «Изобретатель литий-ионных аккумуляторов представляет новую технологию быстрой зарядки негорючих аккумуляторов». Техасский университет в Остине. 28 февраля 2017 г.. Получено 7 января 2018.
  14. ^ Бакленд, Кевин; Сагиике, Хидеки (13 декабря 2017 г.). "Toyota усиливает связи с аккумуляторными батареями Panasonic в гонке с электромобилями". Bloomberg Technology. Получено 7 января 2018.
  15. ^ «Solid Power, партнер BMW по разработке аккумуляторов для электромобилей нового поколения». Рейтер. 18 декабря 2017 г.. Получено 7 января 2018.
  16. ^ Крок, Эндрю (21 декабря 2017 г.). "Honda переходит на твердотельные батареи". Roadshow, автор: CNET. Получено 7 января 2018.
  17. ^ Ламберт, Фред (6 апреля 2017 г.). «Сообщается, что Hyundai начала пилотное производство твердотельных батарей нового поколения для электромобилей». Электрек. Получено 7 января 2018.
  18. ^ «Honda и Nissan говорят о разработке твердотельных аккумуляторов следующего поколения для электромобилей». The Japan Times. Kyodo News. 21 декабря 2017 г.. Получено 7 января 2018.
  19. ^ «Dyson отказывается от планов по поводу электромобиля». 2019-10-10. Получено 2019-10-10.
  20. ^ Ламберт, Фред (14 ноября 2017 г.). «Fisker заявляет, что твердотельные батареи« прорыв »для электромобилей с запасом хода 500 миль и 1 мин зарядки'". Электрек. Получено 7 января 2018.
  21. ^ Таджицу, Наоми (21 декабря 2017 г.). «Свеча зажигания NGK зажигает все твердотельные батареи, готовясь к смене электромобиля». Рейтер. Получено 7 января 2018.
  22. ^ Даниш, Пол (2018-09-12). «Прямо из CU (и Луисвилля): батарея, которая может изменить мир». Boulder Weekly. Получено 2020-02-12.
  23. ^ «Solid Power привлекает 20 миллионов долларов на создание полностью твердотельных батарей - Quartz». qz.com. Получено 2018-09-10.
  24. ^ «Samsung Venture и Hyundai инвестируют в производителя аккумуляторов». www.bloomberg.com. Получено 2018-09-11.
  25. ^ «Volkswagen становится последним автопроизводителем, инвестирующим в твердотельные батареи для электромобилей». 22 июн 2018.
  26. ^ Ламберт, Фред (20 ноября 2018 г.). «Китай начинает производство твердотельных батарей, увеличивая удельную энергию».
  27. ^ Чендлер, Дэвид Л. (12 июля 2017 г.). «Исследование предлагает путь к совершенствованию перезаряжаемых литиевых батарей». Массачусетский Институт Технологий. Исследователи пытались обойти эти проблемы, используя электролит, сделанный из твердых материалов, таких как керамика.
  28. ^ Чендлер, Дэвид Л. (2 февраля 2017 г.). «К твердотельным литиевым батареям». Массачусетский Институт Технологий. Исследователи исследуют механику сульфидов лития, которые перспективны как твердые электролиты.
  29. ^ а б c Такада, Кадзунори (01.02.2013). «Развитие и перспективы твердотельных литиевых батарей». Acta Materialia. Выпуск "Бриллиантовый юбилей". 61 (3): 759–770. Дои:10.1016 / j.actamat.2012.10.034. ISSN  1359-6454.
  30. ^ Гонг, Юньхуэй; Фу, Кун; Сюй, Шаомао; Дай, Цзяци; Hamann, Tanner R .; Чжан, Лэй; Hitz, Грегори Т .; Фу, Жэжен; Ма, Чжаохуэй; McOwen, Dennis W .; Хан, Сяоган (01.07.2018). «Литий-ионный проводящий керамический текстиль: новая архитектура для гибких твердотельных литий-металлических батарей». Материалы сегодня. 21 (6): 594–601. Дои:10.1016 / j.mattod.2018.01.001. ISSN  1369-7021. OSTI  1538573.
  31. ^ Damen, L .; Hassoun, J .; Мастрагостино, М .; Скросати, Б. (01.10.2010). «Твердотельный перезаряжаемый полимерный аккумулятор Li / LiFePO4 для электромобилей». Журнал источников энергии. 195 (19): 6902–6904. Bibcode:2010JPS ... 195.6902D. Дои:10.1016 / j.jpowsour.2010.03.089. ISSN  0378-7753.
  32. ^ а б Карлон, Крис (24 октября 2016 г.). «Аккумуляторная технология, которая может положить конец возгоранию аккумуляторов». Android Authority. Получено 7 января 2018.
  33. ^ «Будут ли твердотельные батареи питать всех нас?». Экономист. 16 октября 2017 г.. Получено 7 января 2018.
  34. ^ «Аккумуляторы для гибридных и подзарядных электромобилей». Центр данных по альтернативным видам топлива. Получено 7 января 2018.
  35. ^ "Хранилище энергии". Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии. Получено 7 января 2018. Многие автопроизводители приняли литий-ионные (литий-ионные) аккумуляторы в качестве предпочтительного варианта накопителя энергии EDV, способного обеспечивать необходимую энергию и удельную мощность в относительно небольшом и легком корпусе.
  36. ^ а б c Джонс, Кевин С. «Состояние твердотельных аккумуляторов» (PDF). Получено 7 января 2018.
  37. ^ «Новый гибридный электролит для твердотельных литиевых батарей». 21 декабря 2015 г.. Получено 7 января 2018.
  38. ^ Вуд, Кевин Н .; Казяк, Эрик; Чедвик, Александр Ф .; Чен, Куан-Хун; Чжан, Цзи-Гуан; Торнтон, Кацуё; Дасгупта, Нил П. (2016-10-14). «Дендриты и ямки: распутывание сложного поведения металлических литиевых анодов с помощью видеомикроскопии Operando». ACS Central Science. 2 (11): 790–801. Дои:10.1021 / acscentsci.6b00260. ЧВК  5126712. PMID  27924307.
  39. ^ а б Цзян, Ханьцин; Тан, Мин; Дуань, Хуйгао; Ван, Фань; Ян, Хаокай; Сюй, Венвэнь; Хонг, Лян; Цзэн, Вэй; Ван, Сюй (март 2018 г.). «Механизм роста дендритов лития, вызванный напряжением, и уменьшение дендритов с помощью гальваники на мягких подложках». Энергия природы. 3 (3): 227–235. Bibcode:2018NatEn ... 3..227Вт. Дои:10.1038 / с41560-018-0104-5. ISSN  2058-7546. S2CID  139981784.
  40. ^ а б Чэн, Синь-Бин; Чжан (17 ноября 2015 г.). «Обзор межфазных границ твердых электролитов на литиево-металлическом аноде». Передовая наука. 3 (3): 1500213. Дои:10.1002 / advs.201500213. ЧВК  5063117. PMID  27774393.
  41. ^ Чжан, Цзи-Гуан; Сюй, Ву; Хендерсон, Уэсли А. (2016-10-07), «Применение литий-металлических анодов», Литий-металлические аноды и перезаряжаемые литий-металлические батареи, Springer International Publishing, стр. 153–188, Дои:10.1007/978-3-319-44054-5_4, ISBN  9783319440538
  42. ^ Гарри, Кэтрин Джоанн (01.05.2016). «Рост дендритов лития через мембраны из твердых полимерных электролитов». Дои:10.2172/1481923. OSTI  1481923. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  43. ^ Ньюман, Джон; Монро, Чарльз (2003-10-01). «Рост дендритов в литиевых / полимерных системах - модель распространения жидких электролитов в гальваностатических условиях». Журнал Электрохимического общества. 150 (10): A1377 – A1384. Дои:10.1149/1.1606686. ISSN  0013-4651.
  44. ^ Базант, Мартин З .; Brushett, Fikile R .; Ли, Джу; Су, Лян; Кусима, Акихиро; Ван, Мяо; Го, Цзиньчжао; Бай, Пэн (21.11.2018). «Взаимодействие между ростками лития и нанопористыми керамическими сепараторами». Джоуль. 2 (11): 2434–2449. Дои:10.1016 / j.joule.2018.08.018. ISSN  2542-4785.
  45. ^ Дадни, Нэнси Дж; Уэст, Уильям С; Нанда, Джагджит, ред. (2015). Справочник по твердотельным аккумуляторам. Материалы и энергия. 6 (2-е изд.). World Scientific Publishing Co. Pte. Дои:10.1142/9487. HDL:10023/9281. ISBN  978-981-4651-89-9.
  46. ^ а б c Буллис, Кевин (19 апреля 2011 г.). «Твердотельные батареи - высокоэнергетические элементы для более дешевых электромобилей». Обзор технологий MIT. Получено 7 января 2018.
  47. ^ Иноуэ, Такао; Мукай, Кадзухико (18 января 2017). «Действительно ли твердотельные литий-ионные батареи безопасны? - Проверка методом дифференциальной сканирующей калориметрии с использованием универсального микроэлемента». Прикладные материалы и интерфейсы ACS. 9 (2): 1507–1515. Дои:10.1021 / acsami.6b13224. ISSN  1944-8244. PMID  28001045.
  48. ^ Эйзенштейн, Пол А. (1 января 2018 г.). «От мобильных телефонов до автомобилей - эти батареи могут навсегда перерезать шнур». Новости NBC. Получено 7 января 2018.
  49. ^ Лаймер, Эрик (25 июля 2017 г.). «Toyota работает над электромобилями, которые заряжаются за считанные минуты, к 2022 году». Популярная механика. Получено 7 января 2018.

внешняя ссылка