Dalam gelombang semasa perkembangan teknologi tenaga baru, bateri keadaan pepejal, sebagai teknologi bateri generasi akan datang yang sangat menjanjikan, telah menarik perhatian yang luas dari semua lapisan masyarakat. Memandangkan keperluan rakyat untuk ketahanan peranti elektronik dan pelbagai memandu kenderaan elektrik terus meningkat, dan penekanan mereka terhadap prestasi keselamatan bateri berkembang setiap hari, bateri keadaan pepejal sangat dijangkakan untuk menangani banyak titik kesakitan bateri lithium-ion cecair tradisional dari segi keselamatan dan julat. Walau bagaimanapun, sebelum populalisasi dan aplikasi berskala besar, soalan penting dalam minda pengguna: Adakah bateri keadaan pepejal selamat dan mampu menyediakan jarak jauh? Untuk menjawab soalan ini, kita perlu menyelidiki mekanisme kerja, ciri-ciri teknikal, dan penyelidikan semasa dan status aplikasi bateri pepejal.
Prinsip kerja dan ciri-ciri struktur bateri pepejal keadaan
Perbezaan teras antara bateri pepejal dan bateri lithium-ion cecair tradisional terletak pada bentuk elektrolit. Bateri lithium-ion cecair tradisional menggunakan elektrolit cecair untuk mencapai proses pengecasan dan pelepasan melalui pergerakan ion litium antara elektrod positif dan negatif. Sebaliknya, bateri pepejal menggunakan elektrolit pepejal, yang biasanya diperbuat daripada bahan seramik, polimer, atau sulfida. Dalam bateri pepejal, ion litium juga deintercalate dari elektrod positif semasa mengecas dan menginterakkan ke dalam elektrod negatif melalui elektrolit pepejal; Semasa menunaikan, mereka bergerak ke arah yang bertentangan, manakala elektron mengalir dari elektrod negatif ke elektrod positif melalui litar luaran, menghasilkan arus untuk menguasai peranti.
Penggunaan elektrolit pepejal memberi bateri keadaan pepejal dengan ciri-ciri struktur yang unik. Berbanding dengan elektrolit cecair, yang memerlukan pemisah untuk mencegah litar pintas antara elektrod positif dan negatif, elektrolit pepejal itu sendiri mempunyai fungsi dua pengaliran ion dan pengasingan elektrod, menjadikan struktur bateri lebih padat. Sementara itu, elektrolit pepejal mempamerkan kestabilan yang lebih tinggi dan kurang terdedah kepada volatilisasi dan kebocoran, meletakkan asas untuk prestasi keselamatan bateri yang lebih baik.
Prestasi keselamatan bateri keadaan pepejal
Bateri lithium-ion cecair tradisional menimbulkan risiko pelarian haba di bawah keadaan suhu tinggi. Apabila suhu bateri melebihi ambang tertentu, seperti 80 darjah, elektrolit cecair boleh terurai untuk menghasilkan gas mudah terbakar, dan tindak balas sampingan dalam bateri semakin meningkat, yang membawa kepada pengumpulan haba yang cepat dan akhirnya menyebabkan bateri menangkap api atau meletup. Data dari agensi ujian Tüv Jerman jelas mendedahkan bahaya tersembunyi ini.
Bateri pepejal menunjukkan kelebihan yang ketara dalam kestabilan haba. Oleh kerana ketiadaan komponen cecair yang tidak menentu dan mudah terbakar dalam elektrolit pepejal, kestabilan terma jauh lebih tinggi daripada elektrolit cecair. Ujian tusukan yang dijalankan oleh Pertubuhan Pembangunan Teknologi Tenaga dan Perindustrian baru (NEDO) Jepun adalah mengagumkan: Apabila jarum keluli menembusi bateri keadaan pepejal, suhu bateri hanya meningkat sebanyak 2 darjah, manakala bateri lithium-ion cecair tradisional akan terbakar dan meletup dalam masa 3 saat. Hasil eksperimen ini secara visual menunjukkan keselamatan bateri keadaan pepejal yang unggul dalam menghadapi penyalahgunaan mekanikal yang melampau.
Dalam kertas bertajuk "Adakah bateri pepejal lebih selamat daripada bateri lithium-ion (cecair)?" Diterbitkan dalam Sains Pada bulan April 2022, para penyelidik membincangkan batas-bateri lithium-ion cecair yang dilepaskan dan suhu haba, bateri separuh pepejal dengan sejumlah elektrolit, dan bateri semua pepejal di bawah tiga senario pelarian terma. Kajian mendapati bahawa dalam keadaan pelarian haba yang disebabkan oleh pemanasan luaran, bateri semua pepejal-pepejal mengatasi bateri lithium-ion separa pepejal dan cecair. Ketumpatan tinggi elektrolit pepejal dalam bateri semua-pepejal boleh membentuk penghalang gas yang berkesan, mencegah hubungan antara litium pada elektrod negatif dan oksigen yang dikeluarkan dari elektrod positif. Dalam senario hipotetikal ini, tidak akan ada pembebasan haba yang signifikan.
Perencatan pertumbuhan litium dendrite
Semasa proses pengecasan dan pelepasan bateri lithium-ion cecair tradisional, ion lithium boleh secara langsung mengkristal pada permukaan elektrod negatif semasa pengecasan cepat, membentuk dendrit lithium berbahaya. Pertumbuhan dendrit litium bukan sahaja membawa kepada kerosakan kapasiti bateri tetapi juga boleh menusuk pemisah, menyebabkan litar pintas antara elektrod positif dan negatif dan mencetuskan kejadian keselamatan. Bahaya tersembunyi ini diturunkan oleh jurutera dari CATL.
Bateri pepejal menunjukkan potensi dalam menghalang pertumbuhan litium dendrite. Struktur dan sifat khas elektrolit pepejal dapat memberikan laluan yang lebih seragam untuk penghijrahan ion litium, mengurangkan kemungkinan pembentukan litium dendrite. Walaupun sepenuhnya menghapuskan pertumbuhan lithium dendrite masih menimbulkan cabaran dalam aplikasi praktikal, trend peningkatan bateri pepejal dalam hal ini jelas berbanding bateri lithium-ion cecair.
Risiko keselamatan yang berpotensi
Walaupun banyak kelebihan bateri pepejal dari segi keselamatan, mereka tidak semestinya selamat. Dalam kes-kes yang melampau tertentu, seperti apabila elektrolit pepejal gagal atau dendrit litium menembusi elektrolit pepejal, menyebabkan litar pintas, keselamatan bateri semua pepejal dan bateri separuh pepejal tidak lebih baik daripada bateri lithium-ion cecair. Profesor Ai Xinping dari Sekolah Kimia dan Sains Molekul di Wuhan University menunjukkan bahawa tuntutan bahawa bateri semua pepejal mempunyai ketumpatan tenaga yang tinggi dan keselamatan yang baik sebenarnya melibatkan tangan konseptual tangan. Kerana sesetengah bahan dalam bateri pepejal boleh menghasilkan gas toksik seperti hidrogen sulfida sekiranya berlaku kemalangan, walaupun mereka tidak akan terus membakar orang seperti bateri tradisional, gas hidrogen sulfida adalah toksik dan boleh menyebabkan kemudaratan yang serius kepada tubuh manusia.
Potensi bateri pepejal dalam julat
Secara teori, bateri pepejal mempunyai potensi untuk mencapai ketumpatan tenaga yang tinggi, yang dijangka dapat meningkatkan ketahanan peranti dengan ketara. Elektrolit pepejal membolehkan penggunaan lithium logam tulen sebagai elektrod negatif, yang meningkatkan kapasiti penyimpanan tenaga per unit jumlah. Data eksperimen dari Institut Bioenergi dan Teknologi Bioprocess Qingdao dari Akademi Sains Cina menunjukkan bahawa ketumpatan tenaga sampel bateri pepejal mereka telah melebihi 500Wh\/kg, manakala ketumpatan tenaga bateri 21700 yang digunakan dalam model Tesla 3 hanya 260Wh\/kg.
Mengambil kenderaan elektrik sebagai contoh, pelbagai memandu sentiasa menjadi tumpuan perhatian pengguna. Bateri Kunpeng dari Chery, sebagai wakil bateri pepejal, merancang untuk mencapai ketumpatan tenaga sebanyak 400Wh\/kg pada tahun 2024 dan meningkatkannya kepada 600Wh\/kg pada tahun 2025. Menurut rancangan itu, apabila dihasilkan secara massal pada tahun 2027, jarak memandu elektrik tulen dijangka melebihi 1500km. Sekiranya matlamat ini dicapai, ia akan mengurangkan kebimbangan pelbagai pengguna kenderaan elektrik.
Cabaran dalam julat sebenar
Walau bagaimanapun, dari makmal ke aplikasi praktikal, bateri pepejal masih menghadapi beberapa cabaran dari segi julat. Pertama, impedans antara muka antara elektrolit pepejal dan elektrod adalah agak menonjol, yang serupa dengan menubuhkan gerai tol di lebuh raya, menghalang penghantaran ion lithium yang cepat dan menjejaskan kecekapan pengisian bateri dan pelepasan, dengan itu memberi kesan buruk kepada julat. Kedua, kecacatan maut elektrolit sulfida, yang menghasilkan hidrogen sulfida yang sangat toksik apabila terdedah kepada air, bukan sahaja meningkatkan risiko keselamatan semasa pengeluaran dan penggunaan bateri tetapi juga menimbulkan cabaran yang teruk kepada kestabilan dan kebolehpercayaan bateri. Di samping itu, hasil penyediaan filem elektrolit pepejal yang rendah membawa kepada kos pengeluaran yang tinggi secara besar-besaran, mengehadkan penggunaan bateri pepejal yang meluas dan secara tidak langsung mempengaruhi proses menunjukkan kelebihan jarak jauh mereka di pasaran.
Kesimpulan dan pandangan
Ringkasnya, bateri pepejal menunjukkan potensi yang besar dari segi keselamatan dan julat. Dari segi keselamatan, kelebihan kestabilan terma mereka jelas, dan mereka dapat menghalang pertumbuhan litium dendrite dengan berkesan, menjadikannya lebih selamat dan boleh dipercayai daripada bateri lithium-ion cecair tradisional dalam kebanyakan kes. Walau bagaimanapun, dalam menghadapi situasi yang melampau seperti kegagalan elektrolit pepejal, masih terdapat risiko keselamatan tertentu. Dari segi julat, kelebihan teoretikal ketumpatan tenaga yang tinggi memberikan kemungkinan untuk jangka panjang, dan beberapa data eksperimen dan rancangan korporat juga menunjukkan prospek yang menjanjikan. Walau bagaimanapun, dalam aplikasi praktikal, isu-isu seperti impedans antara muka, kecacatan elektrolit, dan kos telah menjadi halangan yang menghalang kesedaran penuh kelebihan jarak jauh mereka.
Walaupun menghadapi pelbagai cabaran, bateri pepejal masih dianggap sebagai arahan pembangunan penting untuk teknologi bateri generasi akan datang.