باتری های حالت جامد چیست؟

در اوایل ماه مه امسال، بسیاری از رسانه ها پروژه 6 میلیارد باتری حالت جامد را مطرح کردند.

پس از آن، برخی از شرکت های باتری های حالت جامد اعلام کردند که باتری های تمام حالت جامد را در سال 2027 صنعتی خواهند کرد. کنفرانس های مطبوعاتی مختلفی برای اعلام میزان چگالی انرژی و عملکرد چرخه انجام شده است. اغلب می توان چگالی انرژی یک سلول منفرد از یک شرکت معین را به میزان 700+Wh/kg شنید.

بنابراین، باتری حالت جامد دقیقاً چیست؟ اکنون بازار به چه سطحی رسیده است؟ پس از برقراری ارتباط با بسیاری از دوستان اطرافم، متوجه شدم اولین مفهومی که به راحتی با باتری های حالت جامد اشتباه گرفته می شود، نیمه جامد و کاملا جامد است.

می توان گفت تقریباً تمام باتری های به اصطلاح حالت جامد که در حال حاضر در بازار در گردش هستند، باتری های نیمه جامد یعنی مخلوط جامد و مایع هستند. با این حال، پس از جداسازی بسیاری از باتری‌های حالت جامد، مشخص شد که ترکیب به اصطلاح جامد-مایع در واقع به سختی قابل مشاهده است و تقریباً مشابه حالت باتری‌های مایع است. حتی از طریق برخی شخصیت پردازی های دقیق، یافتن سرنخ ها دشوار است.

دو شرکت چینی نماینده وجود دارد: Qingtao و Weilan. سیستم اصلی چینگتائو لیتیوم فسفات آهن است (البته آنها سیستم سه تایی هم دارند) و وایلان با سه تایی نشان داده می شود (البته لیتیوم آهن هم دارند). اولی عمدتاً فناوری پوشش سرامیکی است و دومی به عنوان فناوری پخت در محل تبلیغ می شود (تاکید بر تبلیغات است). گفته می شود که Qingtao در حال حاضر سلول های 380Wh/kg در گردش دارد و Weilan در حال حاضر سلول های 350Wh/kg با ظرفیت 110Ah را به فروش می رساند.

در مورد باتری های تمام حالت جامد چطور؟ باتری های تمام حالت جامد عمدتاً به اکسیدها، پلیمرها و سولفیدها تقسیم می شوند (البته هالیدها نیز وجود دارند). با قضاوت از وضعیت توسعه فعلی شرکت های پیشرو کلی، کل مسیر فناوری سولفید است. باتری به اصطلاح حالت جامد سولفیدی در واقع مخلوطی از مواد الکترود مثبت و منفی با الکترولیت ها و عوامل رسانای بایندر است تا یک الکترود مثبت تشکیل دهد (البته روش های خشک و مرطوب وجود دارد) و سپس الکترولیت و مقدار کمی بایندر مخلوط می شود تا یک فیلم تشکیل شود (البته روش های خشک و مرطوب وجود دارد). اگر روش مرطوب باشد، سیستم سولفیدی به سیستم حلال بسیار حساس است و البته نیاز به چسب مخصوص دارد. در نهایت، الکترودهای مثبت و منفی و غشای الکترولیت لایه به لایه روی هم قرار می گیرند تا یک سلول باتری تماماً جامد را تشکیل دهند. هر یک از این فرآیندها دارای یک شکاف است که مانع صنعتی شدن باتری های تمام حالت جامد می شود.

دومین چیزی که به راحتی گیج می شود باتری حالت جامد=ایمنی بالا و چگالی انرژی بالا است.

این یک سوء تفاهم بزرگ برای اکثر مردم، از جمله کسانی است که در صنعت هستند. آنها فکر می کنند که باتری های تمام حالت جامد چگالی انرژی بالایی دارند. بسیاری از افراد خارج از صنعت اغلب امید خود را به باتری های تمام حالت جامد بسته اند و اغلب می گویند "هنگامی که باتری های تمام حالت جامد بیرون بیایند مایعی وجود نخواهد داشت". در واقع اینطور نیست. برای درک این منطق، ابتدا باید از مفهوم چگالی انرژی شروع کنیم: چگالی انرژی=انرژی/وزن، و انرژی توسط خود ماده تعیین می‌شود، بنابراین چگالی انرژی سلول باتری توسط سیستم مواد تعیین می‌شود. از باتری

باتری های آهن لیتیومی در حال حاضر 180 وات ساعت بر کیلوگرم هستند. از آنجایی که باتری های سه تایی به سیستم های زیادی تقسیم می شوند، چگالی انرژی آنها اساساً در محدوده 240-360 یا حتی 380 وات ساعت بر کیلوگرم است (بیش از 285 وات ساعت بر کیلوگرم به مواد مبتنی بر سیلیکون نیاز دارد). البته سیستم اکسید کبالت لیتیوم اساساً بیش از 200 چگالی انرژی دارد. اکنون بسیاری از تبلیغات چگالی انرژی در بازار به 450، 500، 600 یا حتی 700Wh/kg یا بیشتر رسیده است. اساساً ماده الکترود منفی فلز لیتیوم یا بدون الکترود منفی است. این حالت کلی چگالی انرژی است. مواد الکترود مثبت و منفی باتری های تمام حالت جامد از مواد خام مایع جدا نشده اند. بنابراین، چگالی انرژی باتری های تمام حالت جامد بیشتر از باتری های مایع نخواهد بود.

ارزش بالایی که همه در مورد آن صحبت می کنند در واقع مبتنی بر این انتظار است که باتری های تمام حالت جامد بتوانند از الکترودهای منفی فلز لیتیوم برای دستیابی به چگالی انرژی بالای سلول باتری پس از حل مشکل ایمنی استفاده کنند، اما این مشکل کمتر از حل مشکل نیست. مشکل ایمنی باتری های لیتیوم فلزی مایع بنابراین، نمی توان گفت که چگالی انرژی باتری های حالت جامد کم است. برعکس، از وضعیت توسعه واقعی، چگالی انرژی باتری های تمام حالت جامد کمتر خواهد بود. اولین مورد ناشی از استفاده از مواد سیستم پرانرژی، دومی از نسبت مواد فعال، سومی از ضخامت غشای الکترولیت و چهارمی ناشی از مشکل عدم پرداخت همه افراد است. توجه زیادی در حال حاضر عملکرد باتری های تمام حالت جامد نیاز به گیره فشار بالا دارد. گیره باعث افزایش وزن تجهیزات الکتریکی در هنگام استفاده واقعی می شود و در نتیجه مزیت چگالی انرژی سلول باتری را تا حد معینی کاهش می دهد.

به طور کلی، باتری های تمام حالت جامد ایمنی را بسیار بهبود بخشیده اند (تست های واقعی وجود دارد)، اما به عنوان یک باتری حالت جامد سولفیدی با مواد بسته بندی نرم، سولفید خود ماده ای با خطرات ایمنی بزرگ است. ثانیا، بهبود ایمنی باتری های تمام حالت جامد نیز محدود است. ذاتاً ایمن نیست. تا حدی، هنوز هم می تواند باعث فرار حرارتی باتری شود.

موارد فوق درک نسبتاً ماکروسکوپی باتری های حالت جامد فعلی، از جمله حالت تمام جامد و نیمه جامد است. البته، در دراز مدت، حالت کاملاً جامد همچنان خوش بینانه است. از وضعیت فعلی، دشواری حل مشکلات ایمنی باتری های مایع پرانرژی لزوما کمتر از دشواری توسعه نسل جدیدی از باتری های تمام حالت جامد با ایمنی بالا نیست. معتقدم با تلاش مشترک زنجیره‌های صنعتی بالادستی و پایین‌دستی می‌توانیم از وضعیت موجود عبور کنیم و انقلاب را محقق کنیم.

توجه: اکثر مقالات تجدید چاپ شده در این سایت از اینترنت جمع آوری شده اند. حق چاپ مقالات متعلق به نویسنده اصلی و منبع اصلی می باشد. دیدگاه های موجود در مقاله فقط برای اشتراک گذاری و ارتباط است. اگر مشکل کپی رایت وجود دارد، لطفاً به من اطلاع دهید و من به موقع با آن برخورد خواهم کرد.