Nell'attuale ondata di vigoroso sviluppo di nuove tecnologie energetiche, la batteria a stato solido, come tecnologia della batteria di prossima generazione altamente promettente, ha attirato un'ampia attenzione da ogni ceto sociale. Poiché i requisiti delle persone per la resistenza dei dispositivi elettronici e la gamma di guida di veicoli elettrici continuano ad aumentare e la loro enfasi sulle prestazioni di sicurezza della batteria cresce di giorno in giorno, è molto anticipata la batteria a stato solido per affrontare molti punti dolenti delle tradizionali batterie agli ioni di litio liquido in termini di sicurezza e gamma. Tuttavia, prima della sua divulgazione e applicazione su larga scala, una domanda chiave permane nelle menti dei consumatori: la batteria a stato solido è sicura e in grado di fornire a lungo raggio? Per rispondere a questa domanda, dobbiamo approfondire il meccanismo di lavoro, le caratteristiche tecniche e lo stato di ricerca e applicazione attuale delle batterie a stato solido.
Principio di lavoro e caratteristiche strutturali della batteria a stato solido
La differenza di base tra batteria a stato solido e batteria tradizionale agli ioni di litio liquido si trova sotto forma di elettrolita. Le tradizionali batterie agli ioni di litio a litio impiegano elettroliti liquidi per ottenere il processo di ricarica e scarica attraverso il movimento degli ioni al litio tra elettrodi positivi e negativi. Al contrario, le batterie a stato solido utilizzano elettroliti solidi, che in genere sono realizzati in materiali ceramici, polimerici o solfuri. Nelle batterie a stato solido, gli ioni di litio deintercalate dall'elettrodo positivo durante la ricarica e l'intercalato nell'elettrodo negativo attraverso l'elettrolita solido; Durante lo scarico, si muovono nella direzione opposta, mentre gli elettroni fluiscono dall'elettrodo negativo all'elettrodo positivo attraverso il circuito esterno, generando corrente per alimentare il dispositivo.
L'uso di elettroliti solidi fornisce batterie a stato solido con caratteristiche strutturali uniche. Rispetto agli elettroliti liquidi, che richiede un separatore per prevenire l'abbreviazione tra gli elettrodi positivi e negativi, lo stesso elettrolita solido ha le doppie funzioni di conduzione ionica e isolamento degli elettrodi, rendendo la struttura della batteria più compatta. Nel frattempo, gli elettroliti solidi mostrano una maggiore stabilità ed è meno soggetto a volatilizzazione e perdite, gettando le basi per migliorare le prestazioni di sicurezza della batteria.
Prestazioni di sicurezza della batteria a stato solido
Le tradizionali batterie agli ioni di litio a litio rappresentano un rischio di fuga termica in condizioni ad alta temperatura. Quando la temperatura della batteria supera una certa soglia, come 80 gradi, l'elettrolita liquido può decomporsi per produrre gas infiammabili e le reazioni laterali all'interno della batteria si intensificano, portando a un rapido accumulo di calore e infine causando il fuoco della batteria o addirittura esplodere. I dati dell'agenzia tedesca di test Tüv rivelano chiaramente questo pericolo nascosto.
Le batterie a stato solido presentano significativi vantaggi nella stabilità termica. A causa dell'assenza di componenti liquidi volatili e infiammabili negli elettroliti solidi, la sua stabilità termica è molto più alta di quella dell'elettrolita liquido. Il test di puntura condotto dalla nuova Organizzazione per lo sviluppo della tecnologia energetica e industriale (NEDO) del Giappone è impressionante: quando un ago d'acciaio fora una batteria a stato solido, la temperatura della batteria aumenta solo di 2 gradi, mentre una batteria agli ioni di litio liquida tradizionale catturerà e esploderà in soli 3 secondi. Questo risultato sperimentale dimostra visivamente la sicurezza superiore delle batterie a stato solido di fronte a un abuso meccanico estremo.
In un documento intitolato "Le batterie a stato solido sono più sicure delle batterie (liquide) agli ioni di litio?" Pubblicato in Science nell'aprile 2022, i ricercatori hanno discusso del rilascio di calore e dei limiti di aumento della temperatura delle batterie agli ioni di litio liquido, batterie semi-solide con una certa quantità di elettrolita e batterie a stato all-solide in tre scenari di fuga termici. Lo studio ha scoperto che nello stato di fuga termico causato da riscaldamento esterno, le batterie a stato all-solide superano le batterie semi-solide e di litio a liquido. L'elevata densità di elettrolita solido nelle batterie a stato all-solide può formare un'efficace barriera del gas, impedendo il contatto tra litio sull'elettrodo negativo e l'ossigeno rilasciato dall'elettrodo positivo. In questo ipotetico scenario, non ci sarebbe un rilascio di calore significativo.
Inibizione della crescita del dendrite al litio
Durante il processo di ricarica e scarica delle tradizionali batterie agli ioni di litio liquido, gli ioni di litio possono cristallizzarsi direttamente sulla superficie dell'elettrodo negativo durante la carica rapida, formando pericolosi dendriti di litio. La crescita dei dendriti di litio non solo porta al decadimento della capacità della batteria, ma può anche perforare il separatore, causando un corto circuito tra gli elettrodi positivi e negativi e innescando un incidente di sicurezza. Questo pericolo nascosto è stato rivelato dagli ingegneri di Catl.
Le batterie a stato solido mostrano un potenziale nell'inibizione della crescita del dendrite al litio. La struttura speciale e le proprietà dell'elettrolita solido possono fornire un percorso più uniforme per la migrazione degli ioni di litio, riducendo la possibilità di formazione di dendrite al litio. Sebbene eliminando completamente la crescita del dendrite di litio pone ancora sfide nelle applicazioni pratiche, la tendenza al miglioramento delle batterie a stato solido a questo proposito è evidente rispetto alle batterie agli ioni di litio liquidi.
Potenziali rischi per la sicurezza
Nonostante i numerosi vantaggi delle batterie a stato solido in termini di sicurezza, non sono assolutamente sicuri. In alcuni casi estremi, come quando l'elettrolita solido fallisce o i dendriti di litio penetrano l'elettrolita solido, causando un corto circuito, la sicurezza di batterie a stato all-solide e batterie semi-solide non è superiore a quella delle batterie a ioni di litio liquide. Il professor Ai Xinping dalla School of Chemistry and Molecular Sciences dell'Università di Wuhan sottolinea che l'affermazione che le batterie a stato all-solide hanno sia una densità di energia elevata che una buona sicurezza comporta effettivamente un gioco di gioco concettuale. Poiché alcuni materiali nelle batterie a stato solido possono produrre gas tossici come l'idrogeno solforato in caso di incidente, sebbene non bruciano direttamente le persone come le batterie tradizionali, il gas idrogeno solforato è tossico e può causare gravi danni al corpo umano.
Potenziale della batteria a stato solido nella gamma
In teoria, le batterie a stato solido hanno il potenziale per raggiungere un'elevata densità di energia, che dovrebbe migliorare significativamente la resistenza dei dispositivi. L'elettrolita solido consente l'uso di litio metallico puro come elettrodo negativo, che aumenta significativamente la capacità di accumulo di energia per unità di volume. I dati sperimentali del Qingdao Institute of Bioenergy e della tecnologia del bioprocesso della Chinese Academy of Sciences mostrano che la densità di energia dei loro campioni di batterie a stato solido ha superato i 500Wh\/kg, mentre la densità di energia della batteria 21700 utilizzata nel Tesla Model 3 è solo 260Wh\/kg.
Prendendo i veicoli elettrici come esempio, la gamma di guida è sempre stata al centro dell'attenzione del consumatore. Kunpeng Battery di Chery, come rappresentante delle batterie a stato solido, prevede una densità di energia di 400Wh\/kg nel 2024 e aumentala a 600Wh\/kg nel 2025. Secondo il piano, quando prodotto in serie nel 2027, si prevede che la gamma di guida elettrica pura supera i 1500 km. Se questi obiettivi vengono raggiunti, allevieranno notevolmente l'ansia da gamma degli utenti di veicoli elettrici.
Sfide nella gamma effettiva
Tuttavia, dal laboratorio alle applicazioni pratiche, le batterie a stato solido affrontano ancora alcune sfide in termini di portata. In primo luogo, l'impedenza dell'interfaccia tra elettroliti solidi ed elettrodi è relativamente prominente, il che è simile alla creazione di una cabina a pedaggio su un'autostrada, ostacolando la rapida trasmissione di ioni di litio e influenzando l'efficienza di ricarica e scarico della batteria, influendo in modo negativo sulla gamma. In secondo luogo, il difetto fatale dell'elettrolita di solfuro, che produce idrogeno solforato altamente tossico se esposto all'acqua, non solo aumenta i rischi di sicurezza durante la produzione e l'uso della batteria, ma pone anche gravi sfide per la stabilità e l'affidabilità della batteria. Inoltre, la bassa resa della preparazione di film elettroliti solidi porta ad alti costi di produzione su larga scala, limitando l'applicazione diffusa di batterie a stato solido e influenzando indirettamente il processo di dimostrazione dei loro vantaggi a lungo raggio nel mercato.
Conclusione e prospettiva
In sintesi, le batterie a stato solido dimostrano un potenziale significativo in termini di sicurezza e intervallo. In termini di sicurezza, i loro vantaggi di stabilità termica sono evidenti e possono effettivamente inibire la crescita del dendrite al litio, rendendoli più sicuri e affidabili delle tradizionali batterie agli ioni di litio liquido nella maggior parte dei casi. Tuttavia, di fronte a situazioni estreme come l'insufficienza di elettroliti solidi, ci sono ancora alcuni rischi per la sicurezza. In termini di intervallo, il vantaggio teorico dell'elevata densità di energia offre la possibilità a lungo raggio e alcuni dati sperimentali e piani aziendali mostrano anche prospettive promettenti. Tuttavia, in applicazioni pratiche, questioni come l'impedenza dell'interfaccia, i difetti degli elettroliti e i costi sono diventati ostacoli che ostacolano la piena realizzazione dei loro vantaggi a lungo raggio.
Nonostante abbia affrontato numerose sfide, le batterie a stato solido sono ancora considerate un'importante direzione di sviluppo per le tecnologie delle batterie di prossima generazione.