Solid-state batterier: Hvornår bliver "erstatninger" til "hovedstøtter"?

Solid-state batterierdukker op som næste generations strømkilde, men hybride fast-flydende batterier vil sandsynligvis kommercialiseres først og fungere som en afgørende bro mellem nutidens flydende lithium-ion-celler og fremtidige all-solid-state systemer.

Hvad solid-state batterier er

Solid-state batterier erstatter brændbare flydende elektrolytter med faste materialer, mens de muliggør højere energitæthed og bedre sikkerhedsydelse. Deres katoder kan bruge højenergimaterialer såsom lithium-rige mangan-baserede forbindelser, mens anoden kan kombinere nano-silicium og grafit for at skubbe energitætheden mod 300-450 Wh/kg.

En fast elektrolyt bærer lithiumioner uden risiko for lækage og reducerer risikoen for termisk løb betydeligt.

Anoder med højere kapacitet og højspændingskatoder giver solid-state batterier potentialet for længere køreafstand i elektriske køretøjer og forbedret udholdenhed i droner eller energilagringssystemer.

Hybrid fast-væske som en overgang

Artiklen skelner mellem flydende, hybride fast-flydende og all-solid-state lithium-batterier, hvilket understreger, at hybriddesign er et vigtigt overgangstrin. Halvfaste, quasi-solide og "solid" batterier på markedet falder stort set ind i denne hybridkategori, der kun adskiller sig i forholdet mellem flydende og fast elektrolyt.

Hybrid fast-flydende batterier indeholder stadig noget flydende elektrolyt, hvilket forbedrer kontakten med aktive materialer og letter fremstillingen.

All-solid-state batterier indeholder kun fast elektrolyt, der tilbyder bedre egensikkerhed og højere teoretisk energitæthed, men står over for mere alvorlige tekniske udfordringer i dag.

Tekniske barrierer for fuld solid-state

Selvom mange virksomheder og forskningsinstitutter verden over investerer i solid-state-teknologi, har ingen solid-state-energicelle med stor kapacitet endnu matchet flydende lithium-ion-batterier med hensyn til både ydeevne og omkostninger. Kernevanskeligheden ligger ved den faste-faste grænseflade, hvor stive elektrolytmaterialer gør det svært at opretholde intim kontakt med elektroder under cykling og volumenændringer.

Nuværende ruter omfatter polymer-, tyndfilms-, sulfid- og oxid-faststofbatterier, hver med forskellige fordele og begrænsninger.

For eksempel kæmper polymere faststofceller ved stuetemperatur og med højspændingskatoder, mens sulfidsystemer er følsomme over for luft og kræver krævende fremstillingsbetingelser.

In-situ størkningsstrategi

For at overvinde grænsefladeproblemer og samtidig udnytte eksisterende lithium-ion-infrastruktur, foreslår forskere en in-situ størkningstilgang til hybride fast-flydende elektrolytter. Under cellesamling sikrer en flydende precursor god befugtning og kontakt; senere omdanner kemiske eller elektrokemiske reaktioner hele eller en del af denne væske til en fast elektrolyt inde i cellen.

Denne metode forbedrer elektrode-elektrolyt-kontakten, undertrykker lithiumdendritvækst og balancerer sikkerhed, højspænding og hurtigopladning.

Det kan også genbruge meget af den nuværende flydende lithium-ion-produktionsproces, hvilket hjælper producenterne med at opskalere hurtigere og reducere omkostningerne.

Fremtidige udviklingsretninger

Eksperter forventer, at all-solid-state lithium-batterier vil have brug for omkring fem år mere før ægte storskala kommercialisering, så hybrid solid-liquid power-batterier forbliver en realistisk vej på kort sigt. For at fremskynde industrialiseringen fremhæver artiklen behovet for koordinerede fremskridt inden for materialer, celledesign, fremstilling og standarder.

Prioriteter omfatter: udvikling af faste elektrolytter med afbalanceret ionisk ledningsevne, stabilitet og bearbejdelighed; matchende højenergielektroder såsom høj-nikkel katoder og silicium-carbon eller lithium metal anoder; og integration af digital simulering med intelligent fremstilling.

Industrien opfordres til at bygge robuste forsyningskæder til nøglematerialer, investere i automatiseret udstyr, forfine test- og evalueringssystemer og gradvist udvikle sig fra hybrid fast-væske lithium-ion batteriermod fuldt solid-state lithiummetalbatterier.