4 tipus d'electròlits sòlids

Per què les bateries d'estat sòlid són una tendència del sector?

Alta seguretat:

Els problemes de seguretat de les bateries líquides sempre han estat criticats. L'electròlit és fàcilment inflamable a altes temperatures o impactes severs. Amb un corrent elevat, les dendrites de liti també apareixeran per perforar el separador i causar curtcircuit. De vegades, l'electròlit pot experimentar reaccions secundaries o descompondre's a altes temperatures. L'estabilitat tèrmica dels electròlits líquids només es pot mantenir fins a 100 graus, mentre que els electròlits sòlids d'òxid poden arribar als 800 graus, i els sulfurs i els halogenurs també poden arribar als 400 graus. Els òxids sòlids són més estables que els líquids i, a causa de la seva forma sòlida, la seva resistència a l'impacte és molt superior a la dels líquids. Per tant, les bateries d'estat sòlid poden satisfer les necessitats de seguretat de les persones.

Alta densitat d'energia:

Actualment, les bateries d'estat sòlid no han aconseguit una densitat d'energia superior a la de les bateries líquides, però teòricament les bateries d'estat sòlid poden aconseguir una densitat d'energia molt alta. Les bateries d'estat sòlid no s'han d'embolicar amb líquid per evitar fuites com les bateries líquides. Per tant, es poden eliminar les closques redundants, les pel·lícules d'embolcall, els materials de dissipació de calor, etc., i la densitat d'energia es pot millorar molt.

Gran poder:

Els ions de liti de les bateries líquides són transportats per conducció, mentre que els ions de liti de les bateries d'estat sòlid són per conducció de salt, que és més ràpid i té una taxa de càrrega i descàrrega més alta. La càrrega ràpida sempre ha estat una dificultat en la tecnologia de bateries líquides, perquè el liti es precipitarà si la velocitat de càrrega és massa ràpida, però aquest problema no existeix a les bateries d'estat sòlid.

Rendiment a baixa temperatura:

Les bateries líquides generalment funcionen de manera estable entre -10 graus i 45 graus , però el seu rang de creuer disminueix molt a l'hivern. La temperatura de funcionament dels electròlits sòlids està entre -30 graus i 100 graus , de manera que no hi haurà reducció de la durada de la bateria excepte en zones extremadament fredes i no es requereix un sistema de gestió tèrmica complex.

Llarga vida útil:

Entre les bateries líquides, la vida mitjana de les bateries ternàries és de 500-1000 cicles i la vida útil del fosfat de ferro de liti pot arribar als 2000 cicles. L'estat sòlid de pel·lícula fina pot arribar a 45,000 cicles en el futur, i la vida útil de 5C al laboratori pot arribar a 10.000 vegades. Quan es pot convergir el cost de producció de la mateixa densitat d'energia, la rendibilitat de les bateries d'estat sòlid és inigualable.

Comparació de 4 electròlits inorgànics sòlids

Els tipus de materials d'electròlits sòlids es poden dividir en quatre categories: òxids, sulfurs, polímers i halogenurs. Cadascun d'aquests quatre tipus d'electròlits té propietats físiques i químiques diferents, la qual cosa determina la dificultat de la R+D, la producció i la industrialització i la seva futura posició en el mercat.

Electròlits d'òxid:

Avantatges: la conductivitat iònica es troba al mig i té la millor estabilitat electroquímica, estabilitat mecànica i estabilitat tèrmica. Es pot adaptar a materials càtods d'alta tensió i ànodes metàl·lics de liti. Excel·lent conductivitat electrònica i selectivitat iònica. Al mateix temps, el grau de continuïtat de l'equip i el cost de fabricació també tenen grans avantatges. La capacitat integral és la més completa.

Desavantatges: l'estabilitat de la reducció és lleugerament baixa, trencadissa i pot causar esquerdes.

Els electròlits d'òxid tenen una alta resistència mecànica, una bona estabilitat tèrmica i de l'aire i finestres electroquímiques amples. Els electròlits d'òxid es poden dividir en estats cristal·lins i amorfs. Els electròlits d'òxid cristal·lí habituals inclouen el tipus perovskita, el tipus LISICON, el tipus NASICON i el tipus granat. Els electròlits d'òxid poden suportar altes tensions, tenir altes temperatures de descomposició i tenir una bona resistència mecànica. Tanmateix, la seva conductivitat iònica a temperatura ambient és baixa (<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), que redueix molt la densitat d'energia de volum de la bateria. Mitjançant el dopatge d'elements i la modificació del límit del gra, la conductivitat a temperatura ambient dels electròlits d'òxid es pot augmentar fins a l'ordre de 10-3 S/cm. Controlar el volum del cristall i afegir recobriments de polímer pot millorar el contacte interfacial entre l'electròlit d'òxid i els elèctrodes positius i negatius. Les membranes d'electròlits sòlids ultrafines es poden produir mitjançant mètodes de recobriment de solució / purín.
 

Electròlit de sulfur:

Avantatges: conductivitat iònica més alta, resistència al límit de gra petit, bona ductilitat i bona selectivitat iònica.

Desavantatges: poca estabilitat química, reaccionarà amb el metall de liti i reaccionarà fàcilment amb l'aire humit. El cost és més elevat i les propietats mecàniques són pobres. Actualment, la producció encara s'ha de dur a terme en una guantera, cosa que dificulta la producció en massa a gran escala.

Els electròlits de sulfur tenen una conductivitat alta a temperatura ambient i una bona ductilitat, i la seva estabilitat es pot millorar mitjançant el dopatge i el recobriment. Actualment, els electròlits de sulfur es presenten en tres formes principals: vidre, vitroceràmica i cristalls. Els electròlits de sulfur tenen una conductivitat a temperatura ambient elevada, que pot ser propera a la dels electròlits líquids (10-4-10-2 S/cm), duresa moderada, bon contacte físic de la interfície i bones propietats mecàniques. Són materials candidats importants per a bateries d'estat sòlid. Tanmateix, els electròlits de sulfur tenen una finestra electroquímica estreta, una estabilitat deficient de la interfície amb elèctrodes positius i negatius i són molt sensibles a la humitat. Pot reaccionar amb traces d'aigua a l'aire i alliberar gas sulfur d'hidrogen tòxic. La producció, el transport i el processament tenen requisits ambientals molt elevats. Els mètodes de modificació com el dopatge i el recobriment poden estabilitzar la interfície entre el sulfur i els elèctrodes positius i negatius, fent-los adequats per a diversos tipus de materials d'elèctrodes positius i negatius, i fins i tot utilitzats en bateries de sofre de liti.

La preparació de bateries d'electròlits de sulfur té alts requisits ambientals. Els electròlits de sulfur tenen una alta conductivitat i són relativament suaus i es poden produir mitjançant mètodes de recobriment. El procés de producció no és gaire diferent del procés de producció de bateries líquides existents, però per millorar el contacte de la interfície de la bateria, normalment és necessari realitzar múltiples premsades en calent després del recobriment i afegir una capa tampó per millorar el contacte de la interfície. Els electròlits de sulfur són molt sensibles a la humitat i poden reaccionar amb traces d'aigua a l'aire per generar sulfur d'hidrogen de gas tòxic, de manera que els requisits ambientals per a la fabricació de bateries són molt elevats.

Electròlit de polímer:

Avantatges: bona seguretat, bona flexibilitat i interfície de contacte, fàcil de formar pel·lícula.

Desavantatges: la conductivitat iònica és molt baixa a temperatura ambient i l'estabilitat tèrmica és deficient.
És flexible i fàcil de processar, i la conductivitat es pot millorar mitjançant la reticulació, la barreja, l'empelt i l'addició de plastificants. Els principals substrats de polímer utilitzats en electròlits de polímer inclouen PEO, PAN, PVDF, PA, PEC, PPC, etc. Les principals sals de liti utilitzades inclouen LiPF6, LiFSI, LiTFSI, etc. Els electròlits de polímer són senzills de preparar, tenen una bona flexibilitat i processabilitat, i es pot utilitzar en productes electrònics flexibles o bateries amb formes poc convencionals. Té un bon contacte físic amb els elèctrodes positius i negatius, i el procés és relativament proper al de les bateries de liti existents. Es pot utilitzar fàcilment en la producció massiva de bateries mitjançant la transformació d'equips existents. Tanmateix, la conductivitat iònica a temperatura ambient dels electròlits de polímer és generalment molt baixa (<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.
 

Electròlit d'halogenur:

Avantatges: baixa resistència electrònica, alta selectivitat d'ions, alta estabilitat de reducció i no fàcil de trencar.

Desavantatges: encara es troba en fase de laboratori, té una estabilitat química i oxidativa deficients i té una alta resistència als ions.

A causa dels avantatges i desavantatges destacats dels halogenurs i polímers, la futura competència mundial per a les bateries d'estat sòlid se centrarà principalment en òxids i sulfurs. De fet, a causa de la seva escassa estabilitat química, els tipus de materials que es poden seleccionar per als electròlits de sulfur són molt estrets, però sempre que es trobin materials adequats i avenços de procés, aquesta deficiència es pot compensar.

Tanmateix, des de la perspectiva de la industrialització, els processos complexos comportaran costos més elevats i un sostre d'escala, de manera que els electròlits sòlids d'òxid són actualment el corrent principal en el desenvolupament de bateries d'estat sòlid. Des de bateries líquides fins a bateries d'estat sòlid, hi haurà una etapa de bateria semisòlida, i la més adequada en aquesta etapa és la ruta de l'òxid. És a causa del seu rendiment global i els seus avantatges de cost. Les bateries d'estat semisòlid poden substituir les bateries líquides actuals més ràpidament, aprofitant gradualment els avantatges i la rendibilitat de les bateries d'estat sòlid.

Tanmateix, amb l'avenç de la tecnologia, encara no està clar si el món estarà dominat per òxids o sulfurs en el futur. El nucli de la tecnologia de la bateria d'estat sòlid és la investigació i el desenvolupament d'electròlits d'estat sòlid. Tot i que els materials electròlits sòlids actuals han avançat molt, encara tenen problemes com ara una conductivitat deficient, una gran resistència a la interfície i uns costos de preparació elevats. Cal continuar la investigació bàsica i els avenços tecnològics per millorar la conductivitat i l'estabilitat dels electròlits sòlids.