Користувач:Oleg.Shanyuk/Твердотіла батарея

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до навігації Перейти до пошуку

Твердотіла батарея - це акумуляторна технологія, яка використовує тверді електроди і твердий електроліт замість рідких або полімерних гелевих електролітів, що знаходяться в літій-іонних або літієвих полімерних батареях. [1] [2] Матеріали для використання в якості твердих електролітів у твердотільних акумуляторах включають кераміку (наприклад, оксиди, сульфіди, фосфати) та тверді полімери. Твердотілі батареї знайшли застосування в кардіостимуляторах, RFID та носячих пристроях. Потенційно вони безпечніші, з більш високою щільністю енергії, але на разі значно дорожчі у виробництві.

Історія[ред. | ред. код]

Між 1831 і 1834 рр. Майкл Фарадей відкрив тверді електроліти сульфіду срібла та фторид свинцю (II), заснувавши твердотільну іоніку . [3] [4]

Це стало початком для твердотілих батарей. [5]

В кінці 1950-х років відбулися перші спроби створити таку батарею. [6] Для цього використовували електроліти на основі срібла, що мали низьку щільність енергії та високий внутрішній опір. Новий клас твердотілого електроліту, розроблений Національною лабораторією Оук-Рідж у 90-х роках, пізніше був застосований у виробництві тонкоплівочних літій-іонних батарей . [7]

У 2011 році Bolloré запустив BlueCar з літій-металевим полімером 30 кВт-год (LMP), в якому використовувався твердий полімерний електроліт, створений розчиненням літієвої солі в солювальному сополімері (поліоксиетилен).

У 2013 році дослідники з Університету Колорадо Боулдер оголосили про розробку твердотілої літієвої батареї з твердим композитним катодом на основі хімічної формули залізо - сірка обіцяючою вищу енергетичну потужність. [8]

У 2014 році дослідники Sakti3 анонсували твердотільний електроліт-літій-іонний акумулятор та заявили про вищу щільність енергії за меншу вартість. [9] Toyota оголосила про свої твердотільні акумуляторні роботи [10] та має найбільшу кількість патентів. [11] У 2015 році компанію Sakti3 придбав Дайсон . [12]

У 2017 році Джон Гуденф, співавтор літій-іонних батарей, продемонстрував можливість розробки твердотілої батареї на основі скляного електроліту та лужно- металевого аноду, що складається з літію, натрію чи калію . [13] У 2017 році Toyota оголосила про поглиблення і так багаторічного партнерства з Panasonic, включаючи співпрацю щодо твердотілих акумуляторів. [14] Інші автовиробники працюючі над цією технологію включають BMW, [15] Honda, [16] Hyundai Motor Company [17] та Nissan . [18] Дайсон, компанія, відома виробництвом побутової техніки, оголосила про запуск електромобіля до 2020 року. [12] За два роки до оголошення Дайсон купив Sakti3, компанію, яка займається дослідженням твердотілих акумуляторів. Дайсон відмовився від проекту електромобілів у 2019 році, але заявив, що технологія акумуляторів буде розвиватися далі. [19] Компанія Fisker Inc. стверджує, що її твердотільна акумуляторна технологія буде готова до "виробництва на рівні автопрому" у 2023 році. [20] NGK, компанія, відома свічками запалювання, розробляє акумулятори на основі кераміки, використовуючи свій досвід у керамічній галузі. [21]

У 2018 році Solid Power оголосила, що отримала 20 мільйонів доларів США на фінансування невеликої виробничої лінії для твердотілих літій-металевих акумуляторів. [22] Лінія зможе виробляти батареї у кількості що становить сумарно потужність близько 10 мегават годин на рік. [23] Volkswagen оголосив про інвестиці 100 мільйонів доларів у стартап QuantumScape розробляючий твердотільний акумулятор, походженням зі Стенфорда. [24] Китайська компанія Qing Tao запустила виробничу лінію твердотільних акумуляторів. [25]

Матеріали[ред. | ред. код]

Матеріали, придатні для використання у якості твердих електролітів у таких акумуляторах, включають кераміку, [26] скло (див. Скляну батарею ), [13] та сульфіди. [27] В основному катоди твердотільних батарей використовують літій, з багатьма випробуваними варіантами, як LiCoO 2, LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2, LiMn 2 O 4 та LiNi 0,8 Co 0,15 Al0.05O 2 . Аноди таких батарей різняться набагато більше, і частково залежать від типу твердотільного електроліту. Наприклад, In, Ge x Si 1− x, SnO – B 2 O 3, SnS –P 2 S 5, Li 2 FeS 2, FeS, NiP 2 та Li 2 SiS 3 . [28]

Одним з перспективних матеріалів для катода є Li-S, який має теоретичну ємність 1670 mAh g -1, "що вдесятеро перевищує ефективне значення LiCoO 2 ". Сірка не може використовуватись як катод у рідких електролітах так як вона розчиняється у більшості рідких електролітів і спричинює різке скорочення терміну експлуатації акумулятора. Саме тому сірка в даний час вивчається в твердому стані. [28] Нещодавно був розроблений керамічний текстиль, який має перспективу при використанні в твердотільному акумуляторі LI-S. Цей текстиль використовувався як роздільник між анодом і катодом, і пропускає іони літію, одночасно перешкоджаючи розчиненню сірки. Результати були багатообіцяючими, проте не досягли теоретично прогнозованої щільності енергії. Результат "роздільник товщиною 500 мкм при 63% використаної площі електроліту" становив "71 Вт / кг". тоді як прогнозована щільність енергії становить 500 Вт / кг. [29]

Твердотільні акумуляторні батареї Li-O <sub id="mwnA">2</sub> подають багато надій на покращення існуючих акумуляторів з їх високою теоретичною ємністю. Однак головна проблема цих пристроїв полягає в тому, що "літієвий анод повинен бути захищеним від впливу атмосфери, тоді як повітряний катод повинен контактувати з нею". [28]

Акумулятор Li / LiFePO 4 також цікавий як твердотіла батарея для електромобілів. Дослідження, проведене в 2010 році, представило цей матеріал як безпечну альтернативу акумуляторним батареям для електромобілів, які "перевершують вимоги USABC-DOE". [30]

Використання[ред. | ред. код]

Твердотілі батареї застосовуються в кардіостимуляторах, RFID та в розумному одязі . [31] [32]

Електромобілі[ред. | ред. код]

У гібридних та електричних автомобілях застосовуються різні типи акумуляторних батарей, включаючи літій-іон, нікель-металгідрид (NiMH), свинцево-кислотні та електричні двошарові конденсатори (або ультраконденсатори) [33] на основі Li-ion . [34] Автовиробник Bentley вважає що твердотілі акумулятори можуть надати більше свободи у дизайні автомобілів. [35]

Недоліки[ред. | ред. код]

Вартість[ред. | ред. код]

Твердотілі батареї занадто дорогі у виготовленні [36], а виробничі процеси важко масштабуються, вимагаючи дорогого обладнання для вакуумного осадження. [7] У 2012 році було підраховано, що на основі тодішньої технології вартість одної батареї потужністю 20 Ah коштуватиме 100 000 доларів США, а щоб створити електромобіль з високою дальністю руху, потрібен акумулятор що скадається з 800 до 1000 таких батарей. Вартість також є проблемою для використання твердотільних акумуляторів в інших галузях, таких як смартфони . [31]

Вплив температури та тиску[ред. | ред. код]

Можливий вплив на роботу батареї у низьких температурах. [36] Є свідчення про низьку продуктивність твердотілих батарей у таких умовах. [8]

Твердотільні батареї з керамічними електролітами потребують високого тиску для підтримки контакту з електродами. [37] Керамічні прокладки між катодом і анодом можуть зламатись від механічних ушкоджень. [7]

Дендрити[ред. | ред. код]

Дендрит металу літію з анода пронизує прокладку і росте в бік катода.

Аноди на основі твердого літію (Li) в твердотілих акумуляторах є заміною графітових анодів у літій-іонних батареях, для більшої щільності енергії, безпеки, та швидкої зарядки. Використання літію у анодах спричиняє утворення та ріст дендритів Li за рахунок неоднорідного осадження металу літію. [38]

Дендрити літію проникають у ізоляційну прокладку, що розміщена між анодом та катодом та запобігає короткому замиканню . Проникнувши через прокладку, вони спричиняють короткі замикання, перегрів, пожежежі або навіть вибухи від теплового розширення. [39] Літієві дендрити знижують вихід току ( ефективність ). [40]

Дендрити зазвичай утворюються під час електроосадження [41] що відбувається у процесі зарядки та розряду батареї. Іони літію в електроліті поєднуються з електронами на поверхні анода – утворюючи шар металу літію. [42] В ідеалі осадження літію відбувається рівномірно на аноді. Однак якщо створюються нерівномірні нарости, структури можуть рости як голка, через весь електроліт та / або прокладку. [43]

Стабільна інтерфаза твердого електроліту (SEI) була найефективнішою стратегією уповільнення росту дендриту та досягнення більшої кількості циклів зарядки. [40] Твердотільні електроліти (SSE) можуть запобігати росту дендритів, хоча це питання залишається відкритим. [39] У дослідженнях 2018 року визначено нанопористі керамічні прокладки, що здатні блокувати ріст дендриту літію аж до критичної щільності струму . [44]

Переваги[ред. | ред. код]

Вважається, що твердотіла акумуляторна технологія здатна підвищити енергетичну щільність (2,5х) [45] через використання анода літієвого металу.

Можна уникнути використання небезпечних або токсичних матеріалів, що зараз використовуються у виробництві акумуляторів, таких як органічні електроліти. [46]

Оскільки більшість рідких електролітів є горючими, а тверді електроліти є негорючими, твердотільні акумулятори вважаються більш безпечними. Потрібно менше систем безпеки, що збільшує щільність енергії. [1] [46] Останні дослідження показують, що вироблення тепла всередині твердотлої батареї складає лише ~ 20-30% у порівнянні із звичайними батареями з рідким електролітом. [47]

Вважається, що твердотіла акумуляторна технологія дозволить швидше заряджатись. [48] [49] Можлива більша напруга та більше циклів перезарядки. [46] [36]

Список літератури[ред. | ред. код]

  1. ↑ а б Reisch, Marc S. (20 November 2017). Solid-state batteries inch their way toward commercialization. Chemical & Engineering News. 95 (46): 19—21. doi:10.1021/cen-09546-bus.
  2. ↑ Vandervell, Andy (26 September 2017). What is a solid-state battery? The benefits explained. Wired UK. Процитовано 7 January 2018.
  3. ↑ Funke K (August 2013). Solid State Ionics: from Michael Faraday to green energy-the European dimension. Science and Technology of Advanced Materials. 14 (4): 043502. Bibcode:2013STAdM..14d3502F. doi:10.1088/1468-6996/14/4/043502. PMC 5090311. PMID 27877585.
  4. ↑ Lee, Sehee (2012). Solid State Cell Chemistries and Designs (PDF). ARPA-E. Процитовано 7 January 2018.
  5. ↑ Weppner, Werner (September 2003). Engineering of solid state ionic devices. International Journal of Ionics. 9 (5–6): 444—464. doi:10.1007/BF02376599. Solid state ionic devices such as high performance batteries...
  6. ↑ Owens, Boone B.; Munshi, M. Z. A. (January 1987). History of Solid State Batteries (PDF). Defense Technical Information Center. Corrosion Research Center, University of Minnesota. Bibcode:1987umn..rept.....O. Процитовано 7 January 2018.
  7. ↑ а б в Jones, Kevin S.; Rudawski, Nicholas G.; Oladeji, Isaiah; Pitts, Roland; Fox, Richard. The state of solid-state batteries (PDF). American Ceramic Society Bulletin. 91 (2).
  8. ↑ а б Solid-state battery developed at CU-Boulder could double the range of electric cars. University of Colorado Boulder. 18 September 2013. Архів оригіналу за 7 November 2013. Процитовано 7 January 2018.
  9. ↑ Dumaine, Brian (18 September 2014). Will this battery change everything?. Fortune Magazine. Процитовано 7 January 2018.
  10. ↑ Greimel, Hans (27 January 2014). Toyota preps solid-state batteries for '20s. Automotive News. Процитовано 7 January 2018.
  11. ↑ Baker, David R (3 April 2019). Why lithium-ion technology is poised to dominate the energy storage future. www.renewableenergyworld.com. Bloomberg. Процитовано 7 April 2019.
  12. ↑ а б Vacuum Tycoon James Dyson To Roll Out An Electric Car By 2020. Forbes. 26 September 2017. Процитовано 7 January 2018.
  13. ↑ а б Lithium-Ion Battery Inventor Introduces New Technology for Fast-Charging, Noncombustible Batteries. University of Texas at Austin. 28 February 2017. Процитовано 7 January 2018.
  14. ↑ Buckland, Kevin; Sagiike, Hideki (13 December 2017). Toyota Deepens Panasonic Battery Ties in Electric-Car Rush. Bloomberg Technology. Процитовано 7 January 2018.
  15. ↑ Solid Power, BMW partner to develop next-generation EV batteries. Reuters. 18 December 2017. Процитовано 7 January 2018.
  16. ↑ Krok, Andrew (21 December 2017). Honda hops on solid-state battery bandwagon. Roadshow by CNET. Процитовано 7 January 2018.
  17. ↑ Lambert, Fred (6 April 2017). Hyundai reportedly started pilot production of next-gen solid-state batteries for electric vehicles. Electrek. Процитовано 7 January 2018.
  18. ↑ Honda and Nissan said to be developing next-generation solid-state batteries for electric vehicles. The Japan Times. Kyodo News. 21 December 2017. Процитовано 7 January 2018.
  19. ↑ Dyson scraps plans for electric car (en-GB) . 10 жовтня 2019. Процитовано 10 жовтня 2019.
  20. ↑ Lambert, Fred (14 November 2017). Fisker claims solid-state battery 'breakthrough' for electric cars with '500 miles range and 1 min charging'. Electrek. Процитовано 7 January 2018.
  21. ↑ Tajitsu, Naomi (21 December 2017). Bracing for EV shift, NGK Spark Plug ignites all solid-state battery quest. Reuters. Процитовано 7 January 2018.
  22. ↑ Solid Power raises $20 million to build all-solid-state batteries — Quartz. qz.com. Процитовано 10 вересня 2018.
  23. ↑ Samsung Venture, Hyundai Investing in Battery Producer. www.bloomberg.com. Процитовано 11 вересня 2018.
  24. ↑ Volkswagen becomes latest automaker to invest in solid-state batteries for electric cars. 22 Jun 2018.
  25. ↑ Lambert, Fred (20 листопада 2018). China starts solid-state battery production, pushing energy density higher.
  26. ↑ Chandler, David L. (12 July 2017). Study suggests route to improving rechargeable lithium batteries. Massachusetts Institute of Technology. Researchers have tried to get around these problems by using an electrolyte made out of solid materials, such as some ceramics.
  27. ↑ Chandler, David L. (2 February 2017). Toward all-solid lithium batteries. Massachusetts Institute of Technology. Researchers investigate mechanics of lithium sulfides, which show promise as solid electrolytes.
  28. ↑ а б в Takada, Kazunori (1 лютого 2013). Progress and prospective of solid-state lithium batteries. Acta Materialia. The Diamond Jubilee Issue. 61 (3): 759—770. doi:10.1016/j.actamat.2012.10.034. ISSN 1359-6454.
  29. ↑ Gong, Yunhui; Fu, Kun; Xu, Shaomao; Dai, Jiaqi; Hamann, Tanner R.; Zhang, Lei; Hitz, Gregory T.; Fu, Zhezhen; Ma, Zhaohui (1 липня 2018). Lithium-ion conductive ceramic textile: A new architecture for flexible solid-state lithium metal batteries. Materials Today. 21 (6): 594—601. doi:10.1016/j.mattod.2018.01.001. ISSN 1369-7021.
  30. ↑ Damen, L.; Hassoun, J.; Mastragostino, M.; Scrosati, B. (1 жовтня 2010). Solid-state, rechargeable Li/LiFePO4 polymer battery for electric vehicle application. Journal of Power Sources. 195 (19): 6902—6904. Bibcode:2010JPS...195.6902D. doi:10.1016/j.jpowsour.2010.03.089. ISSN 0378-7753.
  31. ↑ а б Carlon, Kris (24 October 2016). The battery technology that could put an end to battery fires. Android Authority. Процитовано 7 January 2018.
  32. ↑ Will solid-state batteries power us all?. The Economist. 16 October 2017. Процитовано 7 January 2018.
  33. ↑ Batteries for Hybrid and Plug-In Electric Vehicles. Alternative Fuels Data Center. Процитовано 7 January 2018.
  34. ↑ Energy Storage. National Renewable Energy Laboratory. Процитовано 7 January 2018. Many automakers have adopted lithium-ion (Li-ion) batteries as the preferred EDV energy storage option, capable of delivering the required energy and power density in a relatively small, lightweight package.
  35. ↑ Berman, Bradley (30 грудня 2019). Bentley hints at using solid-state EV batteries as ‘liberator’ of vehicle design. Electrek.
  36. ↑ а б в Jones, Kevin S. State of Solid-State Batteries (PDF). Процитовано 7 January 2018.
  37. ↑ New hybrid electrolyte for solid-state lithium batteries. 21 December 2015. Процитовано 7 January 2018.
  38. ↑ Wood, Kevin N.; Kazyak, Eric; Chadwick, Alexander F.; Chen, Kuan-Hung; Zhang, Ji-Guang; Thornton, Katsuyo; Dasgupta, Neil P. (14 жовтня 2016). Dendrites and Pits: Untangling the Complex Behavior of Lithium Metal Anodes through Operando Video Microscopy. ACS Central Science. 2 (11): 790—801. doi:10.1021/acscentsci.6b00260. PMC 5126712. PMID 27924307.
  39. ↑ а б Jiang, Hanqing; Tang, Ming; Duan, Huigao; Wang, Fan; Yang, Haokai; Xu, Wenwen; Hong, Liang; Zeng, Wei; Wang, Xu (March 2018). Stress-driven lithium dendrite growth mechanism and dendrite mitigation by electroplating on soft substrates. Nature Energy. 3 (3): 227—235. Bibcode:2018NatEn...3..227W. doi:10.1038/s41560-018-0104-5. ISSN 2058-7546.
  40. ↑ а б Cheng, Xin-Bing; Zhang (17 November 2015). A Review of Solid Electrolyte Interphases on Lithium Metal Anode. Advanced Science. 3 (3): 1500213. doi:10.1002/advs.201500213. PMC 5063117. PMID 27774393.
  41. ↑ Zhang, Ji-Guang; Xu, Wu; Henderson, Wesley A. (7 жовтня 2016), Application of Lithium Metal Anodes, Lithium Metal Anodes and Rechargeable Lithium Metal Batteries, Springer International Publishing: 153—188, doi:10.1007/978-3-319-44054-5_4, ISBN 9783319440538
  42. ↑ Harry, Katherine Joann (1 травня 2016). Lithium dendrite growth through solid polymer electrolyte membranes (English) . doi:10.2172/1481923. OSTI 1481923.
  43. ↑ Newman, John; Monroe, Charles (1 жовтня 2003). Dendrite Growth in Lithium/Polymer Systems A Propagation Model for Liquid Electrolytes under Galvanostatic Conditions. Journal of the Electrochemical Society. 150 (10): A1377—A1384. doi:10.1149/1.1606686. ISSN 0013-4651.
  44. ↑ Bazant, Martin Z.; Brushett, Fikile R.; Li, Ju; Su, Liang; Kushima, Akihiro; Wang, Miao; Guo, Jinzhao; Bai, Peng (21 листопада 2018). Interactions between Lithium Growths and Nanoporous Ceramic Separators. Joule (English) . 2 (11): 2434—2449. doi:10.1016/j.joule.2018.08.018. ISSN 2542-4785.
  45. ↑ Dudney, Nancy J; West, William C; Nanda, Jagjit, ред. (2015). Handbook of Solid State Batteries. Materials and Energy. Т. 6 (вид. 2nd). World Scientific Publishing Co. Pte. doi:10.1142/9487. ISBN 978-981-4651-89-9.
  46. ↑ а б в Bullis, Kevin (19 April 2011). Solid-State Batteries - High-energy cells for cheaper electric cars. MIT Technology Review. Процитовано 7 January 2018.
  47. ↑ Inoue, Takao; Mukai, Kazuhiko (18 січня 2017). Are All-Solid-State Lithium-Ion Batteries Really Safe?–Verification by Differential Scanning Calorimetry with an All-Inclusive Microcell. ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (2): 1507—1515. doi:10.1021/acsami.6b13224. ISSN 1944-8244. PMID 28001045.
  48. ↑ Eisenstein, Paul A. (1 January 2018). From cellphones to cars, these batteries could cut the cord forever. NBC News. Процитовано 7 January 2018.
  49. ↑ Limer, Eric (25 July 2017). Toyota Working on Electric Cars That Charge in Minutes for 2022. Popular Mechanics. Процитовано 7 January 2018.
Отримано з https://uk.wikipedia.org/w/index.php?title=Користувач:Oleg.Shanyuk/Твердотіла_батарея&oldid=27056206