باتری های حالت جامد: مسیر باتری نسل بعدی

باتری های حالت جامد: مسیر باتری نسل بعدی

در 14 مه، طبق گزارش "کره تایمز" و سایر رسانه‌ها، سامسونگ قصد دارد با هیوندای برای توسعه خودروهای الکتریکی و تامین باتری‌های نیرو و سایر قطعات خودروهای متصل برای خودروهای الکتریکی هیوندای همکاری کند. رسانه ها پیش بینی می کنند که سامسونگ و هیوندای به زودی یک یادداشت تفاهم غیر الزام آور در مورد تامین باتری امضا خواهند کرد. گزارش شده است که سامسونگ جدیدترین باتری حالت جامد خود را به هیوندای معرفی کرده است.

به گفته سامسونگ، زمانی که نمونه اولیه باتری آن به طور کامل شارژ شود، می تواند به یک خودروی الکتریکی اجازه دهد تا بیش از 800 کیلومتر را در یک زمان رانندگی کند و عمر چرخه باتری آن بیش از 1,000 بار باشد. حجم آن 50 درصد کمتر از یک باتری لیتیوم یونی با همان ظرفیت است. به همین دلیل باتری های حالت جامد مناسب ترین باتری های قدرت برای خودروهای الکتریکی در ده سال آینده در نظر گرفته می شوند.

در اوایل مارس 2020، مؤسسه مطالعات پیشرفته سامسونگ (SAIT) و مرکز تحقیقات سامسونگ ژاپن (SRJ) «باتری‌های فلزی لیتیومی تمام حالت جامد با چرخه طولانی با انرژی بالا که با نقره فعال می‌شوند» را در مجله «نیچر انرژی» منتشر کردند. -آندهای کامپوزیت کربن» آخرین پیشرفت خود را در زمینه باتری های حالت جامد معرفی کردند.

این باتری از یک الکترولیت جامد استفاده می کند که در دمای بالا قابل اشتعال نیست و همچنین می تواند از رشد دندریت های لیتیوم جلوگیری کند تا از سوراخ شدن اتصال کوتاه جلوگیری کند. علاوه بر این، از یک لایه کامپوزیت نقره-کربن (Ag-C) به عنوان آند استفاده می کند که می تواند چگالی انرژی را تا 900Wh/L افزایش دهد، دارای طول عمر چرخه طولانی بیش از 1000 سیکل و راندمان کولمبی بسیار بالا (شارژ) است. و راندمان تخلیه) 99.8٪. این می تواند باتری را پس از یک بار پرداخت به حرکت درآورد. این خودرو 800 کیلومتر را طی کرد.

با این حال، SAIT و SRJ که این مقاله را منتشر کردند، موسسات تحقیقاتی علمی هستند نه Samsung SDI، که بر فناوری تمرکز دارد. این مقاله فقط اصل، ساختار و عملکرد باتری جدید را روشن می کند. پیش‌بینی می‌شود که باتری هنوز در مرحله آزمایشگاهی است و تولید انبوه آن در مدت کوتاهی دشوار خواهد بود.

تفاوت بین باتری های حالت جامد و باتری های لیتیوم یون مایع سنتی در این است که به جای الکترولیت ها و جداکننده ها از الکترولیت های جامد استفاده می شود. استفاده از آندهای گرافیت با لیتیوم ضروری نیست. در عوض، لیتیوم فلزی به عنوان آند استفاده می شود که تعداد مواد آند را کاهش می دهد. باتری های نیرو با چگالی انرژی بدنه بالاتر (> 350 وات ساعت بر کیلوگرم) و عمر طولانی تر (بیش از 5000 چرخه)، و همچنین عملکردهای ویژه (مانند انعطاف پذیری) و سایر الزامات.

باتری‌های سیستم جدید شامل باتری‌های حالت جامد، باتری‌های جریان لیتیومی و باتری‌های فلزی هوا هستند. سه باتری حالت جامد مزایای خود را دارند. الکترولیت های پلیمری الکترولیت های آلی هستند و اکسیدها و سولفیدها الکترولیت های سرامیکی معدنی هستند.

با نگاهی به شرکت‌های جهانی باتری‌های حالت جامد، شرکت‌های نوپا و تولیدکنندگان بین‌المللی نیز وجود دارند. شرکت‌ها در سیستم الکترولیت تنها هستند و باورهای متفاوتی دارند و هیچ روندی از جریان یا ادغام فناوری وجود ندارد. در حال حاضر برخی از مسیرهای فنی به شرایط صنعتی شدن نزدیک است و جاده اتوماسیون باتری های حالت جامد در حال انجام است.

شرکت های اروپایی و آمریکایی سیستم های پلیمری و اکسیدی را ترجیح می دهند. شرکت فرانسوی Bolloré در تجاری سازی باتری های حالت جامد مبتنی بر پلیمر پیشتاز شد. در دسامبر 2011، وسایل نقلیه الکتریکی آن با باتری های پلیمری حالت جامد 30 کیلووات ساعتی + خازن های دولایه الکتریکی وارد بازار خودروهای مشترک شدند که برای اولین بار در جهان بود. باتری های حالت جامد تجاری برای خودروهای برقی.

Sakti3، تولید کننده باتری های حالت جامد اکسید لایه نازک، توسط غول لوازم خانگی بریتانیایی Dyson در سال 2015 خریداری شد. این محصول مشمول هزینه های آماده سازی لایه نازک و دشواری تولید در مقیاس بزرگ است و هیچ انبوهی وجود نداشته است. محصول تولیدی برای مدت طولانی

برنامه ماکسول برای باتری های حالت جامد این است که ابتدا وارد بازار باتری های کوچک شود، آنها را در سال 2020 به تولید انبوه برساند و در سال 2022 از آنها در زمینه ذخیره سازی انرژی استفاده کند. باتری های جامد در کوتاه مدت با این حال، باتری‌های نیمه جامد گران‌تر هستند و عمدتاً در زمینه‌های تقاضای خاص مورد استفاده قرار می‌گیرند و کاربردهای در مقیاس بزرگ را دشوار می‌کنند.

محصولات اکسید غیر لایه نازک عملکرد کلی عالی دارند و در حال حاضر در حال توسعه محبوب هستند. هر دو تایوان هوئیننگ و جیانگسو چینگدائو بازیکنان شناخته شده ای در این مسیر هستند.

شرکت های ژاپنی و کره ای بیشتر متعهد به حل مشکلات صنعتی شدن سیستم سولفید هستند. شرکت های نمایندگی مانند تویوتا و سامسونگ استقرار خود را تسریع کرده اند. باتری‌های حالت جامد سولفید (باتری‌های لیتیوم-گوگرد) به دلیل چگالی انرژی بالا و هزینه کم، پتانسیل توسعه عظیمی دارند. در میان آنها، فناوری تویوتا پیشرفته ترین است. باتری های آزمایشی در سطح آمپر و عملکرد الکتروشیمیایی را منتشر کرد. در همان زمان، آنها همچنین از LGPS با رسانایی دمای اتاق بالاتر به عنوان الکترولیت برای تهیه یک بسته باتری بزرگتر استفاده کردند.

ژاپن یک برنامه تحقیق و توسعه در سراسر کشور راه اندازی کرده است. امیدوارکننده ترین اتحاد تویوتا و پاناسونیک است (تویوتا نزدیک به 300 مهندس در توسعه باتری های حالت جامد دارد). این شرکت گفت که باتری های حالت جامد را ظرف پنج سال تجاری سازی خواهد کرد.

طرح تجاری سازی باتری های تمام جامد توسعه یافته توسط تویوتا و NEDO با توسعه باتری های تمام حالت جامد (باتری های نسل اول) با استفاده از مواد خوشبین و مضر LIB موجود آغاز می شود. پس از آن، از مواد مثبت و منفی جدید برای افزایش چگالی انرژی (باتری های نسل بعدی) استفاده می کند. انتظار می‌رود تویوتا در سال 2022 نمونه‌های اولیه خودروهای الکتریکی حالت جامد را تولید کند و در سال 2025 از باتری‌های حالت جامد در برخی مدل‌ها استفاده خواهد کرد. در سال 2030، چگالی انرژی می‌تواند به 500Wh/kg برای دستیابی به کاربردهای تولید انبوه برسد.

از منظر پتنت، در میان 20 متقاضی برتر پتنت باتری های لیتیومی حالت جامد، شرکت های ژاپنی 11 مورد را به خود اختصاص دادند. تویوتا بیشترین درخواست را داشت که به 1,709 نفر رسید، یعنی 2.2 برابر بیشتر از دومین پاناسونیک. 10 شرکت برتر همگی ژاپنی و کره جنوبی هستند، از جمله 8 شرکت در ژاپن و 2 شرکت در کره جنوبی.

از منظر طرح بندی جهانی ثبت اختراع صاحبان اختراع، ژاپن، ایالات متحده، چین، کره جنوبی و اروپا کشورها یا مناطق کلیدی هستند. علاوه بر برنامه های داخلی، تویوتا بیشترین تعداد درخواست را در ایالات متحده و چین دارد که به ترتیب 14.7 و 12.9 درصد از کل درخواست های ثبت اختراع را به خود اختصاص داده اند.

صنعتی شدن باتری های حالت جامد در کشور من نیز تحت اکتشاف مداوم است. طبق برنامه مسیر فنی چین، در سال 2020، به تدریج الکترولیت جامد، سنتز مواد کاتد انرژی ویژه بالا، و ساختار چارچوب سه بعدی ساختار آلیاژ لیتیوم را محقق خواهد کرد. این نمونه تولید نمونه باتری با ظرفیت کوچک 300Wh/kg را تشخیص می دهد. در سال 2025، فناوری کنترل رابط باتری حالت جامد، 400Wh/kg با ظرفیت بزرگ نمونه باتری و فناوری گروهی را محقق خواهد کرد. انتظار می‌رود که باتری‌های حالت جامد و باتری‌های لیتیوم گوگردی در سال 2030 به تولید انبوه و تبلیغ شوند.

باتری های نسل بعدی در پروژه جذب سرمایه IPO CATL شامل باتری های حالت جامد است. طبق گزارشات NE Times، CATL انتظار دارد تا حداقل تا سال 2025 به تولید انبوه باتری های حالت جامد دست یابد.

در کل، فناوری سیستم پلیمری بالغ‌ترین است و اولین محصول در سطح EV متولد شده است. ماهیت مفهومی و آینده نگر آن باعث تسریع سرمایه گذاری در تحقیق و توسعه توسط افرادی شده است که دیر وارد شده اند، اما حد بالای عملکرد رشد را محدود می کند و ترکیب با الکترولیت های جامد معدنی یک راه حل ممکن در آینده خواهد بود. اکسیداسیون؛ در سیستم مواد، توسعه انواع لایه نازک بر افزایش ظرفیت و تولید در مقیاس بزرگ متمرکز است و عملکرد کلی انواع غیر فیلم بهتر است، که تمرکز تحقیق و توسعه فعلی است. سیستم سولفید امیدوار کننده ترین سیستم باتری حالت جامد در زمینه وسایل نقلیه الکتریکی است، اما در یک وضعیت قطبی شده با فضای گسترده برای رشد و فناوری نابالغ، حل مسائل امنیتی و مسائل رابط تمرکز آینده است.

چالش‌های پیش روی باتری‌های حالت جامد عمدتاً عبارتند از:

• کاهش هزینه ها.
• بهبود ایمنی الکترولیت های جامد.
• حفظ تماس بین الکترودها و الکترولیت ها در طول شارژ و دشارژ.

باتری‌های لیتیوم-گوگرد، لیتیوم-هوا و سیستم‌های دیگر نیاز به تعویض کل قاب ساختار باتری دارند و مشکلات بیشتر و مهم‌تری وجود دارد. الکترودهای مثبت و منفی باتری‌های حالت جامد می‌توانند به استفاده از سیستم فعلی ادامه دهند و دشواری تحقق آن نسبتاً کوچک است. به عنوان نسل بعدی فناوری باتری، باتری های حالت جامد ایمنی و چگالی انرژی بالاتری دارند و تنها راه در دوران پس از لیتیوم خواهند بود.