Solid-state-akut: Milloin "korvaajista" tulee "pääkannattajia"?

Solid-state akutovat nousemassa seuraavan sukupolven virtalähteeksi, mutta hybridi-kiinteä-neste-akut kaupallistuvat todennäköisesti ensin ja toimivat ratkaisevana siltana nykypäivän nestemäisten litiumionikennojen ja tulevien täysin kiinteiden olosuhteiden järjestelmien välillä.

Mitä puolijohdeakut ovat

Solid-state-akut korvaavat palavat nestemäiset elektrolyytit kiinteillä materiaaleilla samalla kun ne mahdollistavat suuremman energiatiheyden ja paremman turvallisuuden. Niiden katodit voivat käyttää korkeaenergisiä materiaaleja, kuten litiumia sisältäviä mangaanipohjaisia ​​yhdisteitä, kun taas anodi voi yhdistää nanopiin ja grafiitin energiatiheyden nostamiseksi kohti 300–450 Wh/kg.

Kiinteä elektrolyytti kuljettaa litiumioneja ilman vuotoriskiä ja vähentää merkittävästi lämmön karkaamisen todennäköisyyttä.

Suuremman kapasiteetin anodit ja korkeajännitteiset katodit antavat puolijohdeakkuille mahdollisuuden pidentää ajomatkaa sähköajoneuvoissa ja parantaa kestävyyttä droneissa tai energian varastointijärjestelmissä.

Hybridi kiinteä–neste siirtymänä

Artikkelissa erotetaan toisistaan ​​nestemäiset, hybridi kiinteä-neste- ja täyskiinteät litiumparistot ja korostetaan, että hybridimallit ovat olennainen siirtymävaihe. Markkinoilla olevat puolikiinteät, lähes kiinteät ja "kiinteät" akut kuuluvat suurelta osin tähän hybridiluokkaan, ja ne eroavat vain nesteen ja kiinteän elektrolyytin suhteen.

Hybridi-kiinteä-nesteakut sisältävät vielä jonkin verran nestemäistä elektrolyyttiä, mikä parantaa kosketusta aktiivisten materiaalien kanssa ja helpottaa valmistusta.

Täysin solid-state-akut sisältävät vain kiinteää elektrolyyttiä, mikä tarjoaa paremman luontaisen turvallisuuden ja korkeamman teoreettisen energiatiheyden, mutta kohtaa nykyään vakavampia teknisiä haasteita.

Täysin kiinteän olomuodon tekniset esteet

Vaikka monet yritykset ja tutkimuslaitokset ympäri maailmaa investoivat solid-state-teknologiaan, yksikään suurikapasiteettinen solid-state-voimakenno ei ole vielä pystynyt vastaamaan nestemäisiä litiumioniakkuja suorituskyvyn ja kustannusten suhteen. Ydinvaikeus on kiinteän ja kiinteän aineen rajapinnassa, jossa jäykät elektrolyyttimateriaalit vaikeuttavat läheisen kosketuksen ylläpitämistä elektrodien kanssa pyöräilyn ja tilavuuden muutosten aikana.

Nykyiset reitit sisältävät polymeeri-, ohutkalvo-, sulfidi- ja oksidi-solidstate-akut, joilla jokaisella on omat edut ja rajoitukset.

Esimerkiksi polymeeriset solid-state-kennot kamppailevat huoneenlämmössä ja korkeajännitteisten katodien kanssa, kun taas sulfidijärjestelmät ovat herkkiä ilmalle ja vaativat vaativia valmistusolosuhteita.

In situ -kiinteytysstrategia

Rajapintaongelmien ratkaisemiseksi ja olemassa olevan litiumioni-infrastruktuurin hyödyntämiseksi tutkijat ehdottavat in situ -kiinteytysmenetelmää hybridi-kiinteä-neste-elektrolyyteille. Kennojen kokoonpanon aikana nestemäinen esiaste varmistaa hyvän kostutuksen ja kosketuksen; myöhemmin kemialliset tai sähkökemialliset reaktiot muuttavat koko nesteen tai osan siitä kiinteäksi elektrolyytiksi kennon sisällä.

Tämä menetelmä parantaa elektrodin ja elektrolyytin kosketusta, estää litiumdendriitin kasvua ja tasapainottaa turvallisuutta, korkeajännitettä ja pikalatauksen suorituskykyä.

Se voi myös käyttää uudelleen suuren osan nykyisestä nestemäisten litiumionien tuotantoprosessista, mikä auttaa valmistajia laajentamaan toimintaansa nopeammin ja alentamaan kustannuksia.

Tulevaisuuden kehityssuunnat

Asiantuntijat odottavat, että täyskiinteän olomuodon litiumparistot tarvitsevat vielä noin viisi vuotta ennen todellista laajamittaista kaupallistamista, joten hybridi-kiinteä-neste-akut pysyvät realistisena lähiajan polkuna. Teollistumisen nopeuttamiseksi artikkelissa korostetaan tarvetta koordinoidulle edistykselle materiaaleissa, solujen suunnittelussa, valmistuksessa ja standardeissa.

Painopistealueita ovat: kiinteiden elektrolyyttien kehittäminen, joilla on tasapainoinen ionijohtavuus, stabiilius ja prosessoitavuus; yhteensopivia korkeaenergisiä elektrodeja, kuten runsaasti nikkeliä sisältävät katodit ja pii-hiili- tai litiummetallianodit; ja integroimalla digitaalisen simulaation älykkääseen tuotantoon.

Teollisuutta rohkaistaan ​​rakentamaan kestäviä toimitusketjuja keskeisille materiaaleille, investoimaan automatisoituihin laitteisiin, parantamaan testaus- ja arviointijärjestelmiä ja kehittymään asteittain hybridi-kiinteästä nesteestä. litiumioniakutkohti täysin solid-state-litiummetalliakkuja.