In der gegenwärtigen Welle der energischen Entwicklung neuer Energietechnologien hat Festkörperbatterie als vielversprechende Batterie-Technologie der nächsten Generation von allen Lebensbereichen umfangreiche Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Da die Anforderungen der Menschen an die Ausdauer elektronischer Geräte und die Antriebsspanne der Elektrofahrzeuge weiter steigen und deren Schwerpunkt auf der Sicherheitsleistung der Batterie von Tag zu Tag wächst, wird die Festkörperbatterie in Bezug auf Sicherheit und Reichweite mit stark erwarteten Schmerzpunkten herkömmlicher Schmerzpunkte traditioneller flüssiger Lithium-Ionen-Batterien erwartet. Vor seiner groß angelegten Popularisierung und Anwendung bleibt jedoch eine wichtige Frage in den Köpfen der Verbraucher: Ist die Festkörperbatterie sicher und in der Lage, eine große Reichweite bereitzustellen? Um diese Frage zu beantworten, müssen wir uns mit dem Arbeitsmechanismus, den technischen Merkmalen sowie dem aktuellen Forschungs- und Anwendungsstatus von Festkörperbatterien befassen.
Arbeitsprinzip und strukturelle Eigenschaften der Festkörperbatterie
Der Kernunterschied zwischen Festkörperbatterie und herkömmlicher flüssiger Lithium-Ionen-Batterie liegt in Form von Elektrolyt. Traditionelle flüssige Lithium-Ionen-Batterien verwenden flüssigen Elektrolyten, um den Lade- und Entladungsprozess durch die Bewegung von Lithiumionen zwischen den positiven und negativen Elektroden zu erreichen. Im Gegensatz dazu verwenden Festkörperbatterien einen festen Elektrolyten, der typischerweise aus Keramik-, Polymer- oder Sulfidmaterialien besteht. In Festkörperbatterien desinterkalieren Lithiumionen während des Lades auch von der positiven Elektrode und interkalieren durch den festen Elektrolyten in die negative Elektrode. Während des Entladens bewegen sie sich in die entgegengesetzte Richtung, während die Elektronen durch den externen Schaltkreis von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode fließen, wodurch Strom zum Stromversorgungsmittel erzeugt wird.
Die Verwendung von festen Elektrolyten verleiht Festkörperbatterien mit einzigartigen strukturellen Eigenschaften. Im Vergleich zum Flüssigelektrolyten, der ein Trennzeichen benötigt, um eine Kurzzeitverkleidung zwischen den positiven und negativen Elektroden zu verhindern, hat fester Elektrolyt selbst die doppelten Funktionen der Ionenleitung und der Elektrodenisolierung, wodurch die Batteriestruktur kompakter wird. In der Zwischenzeit weist ein fester Elektrolyt eine höhere Stabilität auf und ist weniger anfällig für Verflüchtigung und Leckage, wodurch ein Grundlage für eine verbesserte Sicherheitsleistung der Batterie liegt.
Sicherheitsleistung der Festkörperbatterie
Traditionelle flüssige Lithium-Ionen-Batterien bilden das Risiko eines thermischen Ausflusses unter hohen Temperaturbedingungen. Wenn die Batterietemperatur einen bestimmten Schwellenwert wie 80 Grad überschreitet, kann sich der Flüssigelektrolyt zersetzen, um brennbare Gase zu erzeugen, und Seitenreaktionen innerhalb der Batterie verstärken, was zu einer schnellen Ansammlung von Wärme führt und letztendlich dazu führt, dass die Batterie Feuer fängt oder sogar explodiert. Daten der deutschen TÜV -Testagentur zeigen deutlich diese verborgene Gefahr.
Festkörperbatterien weisen erhebliche Vorteile bei der thermischen Stabilität auf. Aufgrund des Fehlens von flüchtigen und brennbaren flüssigen Komponenten im festen Elektrolyten ist die thermische Stabilität viel höher als die des Flüssigkeitseelektrolyten. Der von der neue Energie- und Industrie- und Industrie-Technologieentwicklungsorganisation (NEDO) in Japan durchgeführte Punktionstest ist beeindruckend: Wenn eine Stahlnadel eine Festkörperbatterie durchstößt, steigt die Batterietemperatur nur um 2 Grad, während eine herkömmliche flüssige Lithium-Ionen-Batterie Feuer fängt und innerhalb von nur 3 Sekunden explodiert. Dieses experimentelle Ergebnis zeigt visuell die überlegene Sicherheit von Festkörperbatterien angesichts extremer mechanischer Missbrauch.
In einem Papier mit dem Titel "Sind Festkörperbatterien sicherer als (flüssige) Lithium-Ionen-Batterien?" Die Forscher wurden im April 2022 in Science veröffentlicht und diskutierten die Wärmefreisetzung und die Temperaturanstiegsgrenzen von flüssigen Lithium-Ionen-Batterien, halbfarbige Batterien mit einer gewissen Menge an Elektrolyt und All-Solid-State-Batterien unter drei thermischen Ausreißer-Szenarien. Die Studie ergab, dass im thermischen Ausreißerzustand durch externe Erwärmung All-Solid-State-Batterien halbfeste und flüssige Lithium-Ionen-Batterien übertreffen. Die hohe Dichte des festen Elektrolyten in All-Solid-State-Batterien kann eine wirksame Gasbarriere bilden und den Kontakt zwischen Lithium auf der negativen Elektrode und Sauerstoff aus der positiven Elektrode verhindert. In diesem hypothetischen Szenario würde es keine signifikante Wärmefreisetzung geben.
Hemmung des Lithium -Dendritenwachstums
Während des Lade- und Entladungsprozesses herkömmlicher flüssiger Lithium-Ionen-Batterien können Lithiumionen während des schnellen Lades direkt auf der Oberfläche der negativen Elektrode kristallisieren und gefährliche Lithium-Dendriten bilden. Das Wachstum von Lithium -Dendriten führt nicht nur zum Zerfall der Batteriekapazität, sondern kann auch den Trennzeichen durchführen, was zu einem Kurzschluss zwischen den positiven und negativen Elektroden führt und einen Sicherheitsvorfall auslöst. Diese versteckte Gefahr wurde von Ingenieuren von Catl enthüllt.
Festkörperbatterien zeigen ein Potenzial bei der Hemmung des Lithium-Dendrit-Wachstums. Die besondere Struktur und Eigenschaften von festem Elektrolyt können einen gleichmäßigeren Weg für die Lithiumionenmigration bieten und die Möglichkeit einer Lithium -Dendrit -Bildung verringern. Obwohl das Wachstum von Lithium-Dendriten vollständig eliminiert wird, ist in praktischen Anwendungen der Verbesserungstrend von Festkörperbatterien in dieser Hinsicht im Vergleich zu flüssigen Lithium-Ionen-Batterien ersichtlich.
Potenzielle Sicherheitsrisiken
Trotz der vielen Vorteile von Festkörperbatterien in Bezug auf die Sicherheit sind sie nicht absolut sicher. In bestimmten extremen Fällen, beispielsweise wenn der feste Elektrolyt ausfällt oder Lithiumdendriten in den festen Elektrolyten eindringen, ist die Sicherheit von Batterien im All-Solid-Zustand und halbfeste Batterien der von flüssigen Lithium-Ionen-Batterien nicht überlegen. Professor AI Xinping von der School of Chemistry and Molecular Sciences der Wuhan University weist darauf hin, dass die Behauptung, dass Batterien für alle staatlichen Zustands sowohl eine hohe Energiedichte als auch eine gute Sicherheit aufweisen, tatsächlich eine konzeptionelle Handschleife beinhaltet. Da einige Materialien in Festkörperbatterien bei einem Unfall giftige Gase wie Wasserstoffsulfid produzieren können, aber Menschen nicht direkt wie herkömmliche Batterien verbrennen, ist Wasserstoffsulfidgas giftig und kann dem menschlichen Körper schwerwiegende Schäden verursachen.
Potential der Festkörperbatterie im Bereich
Theoretisch haben Festkörperbatterien das Potenzial, eine hohe Energiedichte zu erreichen, was die Ausdauer von Geräten erheblich verbessern wird. Ein fester Elektrolyt ermöglicht die Verwendung von reinem metallischem Lithium als negativer Elektrode, was die Energiespeicherkapazität pro Volumeneinheit erheblich erhöht. Experimentelle Daten des Qingdao-Instituts für Bioenergie- und Bioprozess-Technologie der chinesischen Akademie der Wissenschaften zeigen, dass die Energiedichte ihrer Solid-State-Batterie-Proben 500Wh\/kg überschritten hat, während die in Tesla-Modell 3 verwendete Energiedichte nur 260 wh\/kg ist.
Als Beispiel war das Fahrbereich immer ein Schwerpunkt auf der Aufmerksamkeit der Verbraucher. Die Kunpeng-Batterie aus Chery als Repräsentant für Festkörperbatterien plant, 2024 eine Energiedichte von 400 WH\/kg zu erreichen und im Jahr 2025 auf 600Wh\/kg zu erhöhen. Nach dem Plan wird erwartet, dass der reine elektrische Fahrbereich im Jahr 2027 1500 km überschreitet. Wenn diese Ziele erreicht werden, wird die Reichweite der Elektrofahrzeugbenutzer erheblich verringert.
Herausforderungen im tatsächlichen Bereich
Vom Labor bis hin zu praktischen Anwendungen stehen jedoch Festkörperbatterien in Bezug auf die Reichweite jedoch immer noch einige Herausforderungen. Erstens ist die Grenzflächenimpedanz zwischen festem Elektrolyt und Elektroden relativ herausragend, was der Einrichtung einer Mautstelle auf einer Autobahn ähnelt. Dies behindert die schnelle Übertragung von Lithiumionen und beeinträchtigt die Lade- und Entladungseffizienz der Batterie und entlastet die Effizienz. Zweitens erhöht der tödliche Fehler des Sulfidelektrolyts, der bei Wasser stark toxischem Schwefelwasserstoff ausgesetzt ist, nicht nur die Sicherheitsrisiken während der Batterieproduktion und die Verwendung, sondern auch schwerwiegende Herausforderungen für die Stabilität und Zuverlässigkeit der Batterie. Darüber hinaus führt die geringe Ausbeute an festen Elektrolytfilmvorbereitung zu hohen Produktionskosten in großem Maßstab, wodurch die weit verbreitete Anwendung von Festkörperbatterien einschränkt und indirekt den Prozess der Demonstration ihrer langfristigen Vorteile auf dem Markt beeinflusst.
Schlussfolgerung und Ausblick
Zusammenfassend zeigen Festkörperbatterien ein erhebliches Potenzial hinsichtlich Sicherheit und Reichweite. In Bezug auf die Sicherheit sind ihre Vorteile der thermischen Stabilität offensichtlich, und sie können das Wachstum von Lithium-Dendriten wirksam hemmen, was sie in den meisten Fällen sicherer und zuverlässiger als herkömmliche flüssige Lithium-Ionen-Batterien macht. Angesichts extremer Situationen wie einem soliden Elektrolytversagen gibt es jedoch immer noch bestimmte Sicherheitsrisiken. In Bezug auf die Reichweite bietet der theoretische Vorteil einer hohen Energiedichte die Möglichkeit einer großen Reichweite, und einige experimentelle Daten und Unternehmenspläne zeigen auch vielversprechende Aussichten. In praktischen Anwendungen sind jedoch Probleme wie Grenzflächenimpedanz, Elektrolytfehler und Kosten Hindernisse geworden, die die vollständige Realisierung ihrer langfristigen Vorteile behindern.
Trotz zahlreicher Herausforderungen werden Festkörperbatterien immer noch als wichtige Entwicklungsrichtung für Batterie-Technologien der nächsten Generation angesehen.