Analizirajte polprevodniške baterije ter njihove prednosti in slabosti
Pet značilnosti popolnoma polprevodniških baterij
Visoka varnost:
Varnostna vprašanja tekočih baterij so bila vedno kritizirana. Elektrolit je zlahka vnetljiv pri visokih temperaturah ali močnem udarcu. Pri visokih tokovih se zdi, da litijevi dendriti predrejo separator in povzročijo kratek stik. Včasih lahko elektrolit podvrže stranskim reakcijam ali se razgradi pri visokih temperaturah. Toplotno stabilnost tekočih elektrolitov je mogoče ohraniti le do 100 stopinj, medtem ko lahko oksidni trdni elektroliti dosežejo 800 stopinj, sulfidi in halogenidi pa lahko dosežejo tudi 400 stopinj. Trdni oksidi so stabilnejši od tekočin in zaradi svoje trdne oblike je njihova odpornost na udarce veliko večja kot pri tekočinah. Zato lahko polprevodniške baterije zadovoljijo potrebe ljudi po varnosti.
Visoka energijska gostota:
Trenutno polprevodniške baterije niso dosegle energijske gostote, ki bi presegala gostoto tekočih baterij, vendar teoretično lahko polprevodniške baterije dosežejo zelo visoko energijsko gostoto. Polprevodniških baterij ni treba zaviti v tekočino, da preprečite puščanje, tako kot tekoče baterije. Zato je mogoče odstraniti odvečne lupine, ovojne folije, materiale za odvajanje toplote itd., energijsko gostoto pa je mogoče močno izboljšati.
Velika moč:
Litijevi ioni v tekočih baterijah se prenašajo s prevodnostjo, medtem ko se litijevi ioni v polprevodniških baterijah prenašajo s skokovito prevodnostjo, ki je hitrejša in ima večjo stopnjo polnjenja in praznjenja. Hitro polnjenje je bilo vedno težava pri tehnologiji tekočih baterij, ker se bo litij izločal, če je hitrost polnjenja prehitra, vendar ta težava ne obstaja pri popolnoma polprevodniških baterijah.
Delovanje pri nizkih temperaturah:
Tekoči akumulatorji na splošno delujejo stabilno pri -10 stopinjah do 45 stopinj, vendar se njihov doseg pozimi resno zmanjša. Delovna temperatura trdnih elektrolitov je med -30 stopinjami in 100 stopinjami, tako da ne bo zmanjšana življenjska doba baterije, razen v izjemno mrzlih območjih, in ni potreben zapleten sistem za upravljanje toplote.
Dolga življenjska doba:
Med tekočimi baterijami je povprečna življenjska doba trojnih baterij 500-1000 ciklov, življenjska doba litijevega železovega fosfata pa lahko doseže 2000 ciklov. Tanki film v celoti v trdnem stanju lahko v prihodnosti doseže 45000 ciklov, življenjska doba 5C v laboratoriju pa lahko doseže 10.000-krat. Ko je mogoče konvergirati proizvodne stroške enake energijske gostote, je stroškovna učinkovitost polprevodniških baterij neprimerljiva.
Primerjava 4 trdnih anorganskih elektrolitov
Materialne vrste trdnih elektrolitov lahko razdelimo v štiri kategorije: oksidi, sulfidi, polimeri in halogenidi. Vsaka od teh štirih vrst elektrolitov ima različne fizikalne in kemijske lastnosti, kar določa težavnost raziskav in razvoja, proizvodnje in industrializacije ter njen prihodnji položaj na trgu.
Oksidni elektroliti:
Prednosti:Ionska prevodnost je na sredini in ima najboljšo elektrokemijsko stabilnost, mehansko stabilnost in toplotno stabilnost. Prilagodi se lahko za visokonapetostne katodne materiale in kovinske litijeve anode. Odlična elektronska prevodnost in ionska selektivnost. Hkrati imajo velike prednosti tudi stopnja kontinuitete opreme in stroški izdelave. Celovita sposobnost je najbolj celovita.
Slabosti:Stabilnost redukcije je nekoliko nizka, krhka in lahko povzroči razpoke.
Oksidni elektroliti imajo visoko mehansko trdnost, dobro toplotno in zračno stabilnost ter široka elektrokemična okna. Oksidne elektrolite lahko razdelimo na kristalna in amorfna stanja. Običajni kristalni oksidni elektroliti vključujejo perovskitni tip, tip LISICON, tip NASICON in tip granata. Oksidni elektroliti lahko prenesejo visoke napetosti, imajo visoke temperature razgradnje in imajo dobro mehansko trdnost. Vendar je njegova ionska prevodnost pri sobni temperaturi nizka (<10-4 S/cm), it has poor contact with the solid-solid interface of the positive and negative electrodes, and it is usually thick (>200 μm), kar močno zmanjša prostorninsko energijsko gostoto baterije. Z dopiranjem elementov in modifikacijo meja zrn se lahko prevodnost oksidnih elektrolitov pri sobni temperaturi poveča na 10-3 S/cm. Nadzor volumna kristala in dodajanje polimernih prevlek lahko izboljšata medfazni stik med oksidnim elektrolitom ter pozitivno in negativno elektrodo. Metode nanašanja raztopine/gnojnice lahko proizvedejo ultratanke membrane trdnega elektrolita.
Sulfidni elektrolit:
Prednosti:najvišja ionska prevodnost, odpornost na meje majhnih zrn, dobra duktilnost in dobra ionska selektivnost.
Slabosti:slaba kemična stabilnost, bo reagiral s kovinskim litijem in zlahka reagiral z vlažnim zrakom. Stroški so višji, mehanske lastnosti pa slabe. Trenutno je treba proizvodnjo še vedno izvajati v predalu za rokavice, kar otežuje množično proizvodnjo v velikem obsegu.
Sulfidni elektroliti imajo visoko prevodnost pri sobni temperaturi in dobro duktilnost, njihovo stabilnost pa je mogoče izboljšati z dopiranjem in prevleko. Sulfidni elektroliti so trenutno v treh glavnih oblikah: steklo, steklokeramika in kristali. Sulfidni elektroliti imajo visoko prevodnost pri sobni temperaturi, ki je lahko blizu prevodnosti tekočih elektrolitov (10-4-10-2 S/cm), zmerno trdoto, dober fizični stik vmesnika in dobre mehanske lastnosti. So pomembni kandidatni materiali za polprevodniške baterije. Vendar imajo sulfidni elektroliti ozko elektrokemično okno, slabo stabilnost vmesnika s pozitivnimi in negativnimi elektrodami in so zelo občutljivi na vlago. Lahko reagira s sledovi vode v zraku in sprosti strupen vodikov sulfid. Proizvodnja, transport in predelava imajo zelo visoke okoljske zahteve. Metode spreminjanja, kot sta dopiranje in prevleka, lahko stabilizirajo vmesnik med sulfidom ter pozitivnimi in negativnimi elektrodami, zaradi česar so primerne za različne vrste materialov pozitivnih in negativnih elektrod ter se uporabljajo celo v litij-žveplovih baterijah.
Priprava baterij s sulfidnim elektrolitom ima visoke okoljske zahteve. Sulfidni elektroliti imajo visoko prevodnost, so relativno mehki in jih je mogoče proizvesti z metodami premazovanja. Proizvodni proces se ne razlikuje zelo od obstoječega postopka proizvodnje tekočih baterij, vendar je za izboljšanje stika vmesnika baterije običajno potrebno izvesti večkratno vroče stiskanje po nanosu in dodati vmesni sloj za izboljšanje stika vmesnika. Sulfidni elektroliti so zelo občutljivi na vlago in lahko reagirajo s sledovi vode v zraku, da ustvarijo strupen plin vodikov sulfid, zato so okoljske zahteve za proizvodnjo baterij zelo visoke.
Polimerni elektrolit:
Prednosti:dobra varnost, prilagodljivost, kontakt vmesnika in enostavno oblikovanje filma.
Slabosti:Ionska prevodnost je zelo nizka pri sobni temperaturi in slaba toplotna stabilnost.
Je prilagodljiv in enostaven za obdelavo, prevodnost pa je mogoče izboljšati z navzkrižnim povezovanjem, mešanjem, cepljenjem in dodajanjem mehčalcev. Glavni polimerni substrati, ki se uporabljajo v polimernih elektrolitih, vključujejo PEO, PAN, PVDF, PA, PEC, PPC itd. Glavne uporabljene litijeve soli vključujejo LiPF6, LiFSI, LiTFSI itd. Polimerne elektrolite je enostavno pripraviti, imajo dobro fleksibilnost in sposobnost obdelave, in se lahko uporablja v prilagodljivih elektronskih izdelkih ali baterijah nekonvencionalnih oblik. Ima dober fizični stik s pozitivno in negativno elektrodo, postopek pa je razmeroma blizu tistemu pri obstoječih litijevih baterijah. Z lahkoto ga je mogoče uporabiti v množični proizvodnji baterij s preoblikovanjem obstoječe opreme. Vendar pa je ionska prevodnost polimernih elektrolitov pri sobni temperaturi na splošno zelo nizka (<10-6 S/cm). The most common PEO-based polymer electrolyte also has poor oxidation stability and can only be used for LFP-positive electrodes. The room temperature conductivity of polymer electrolytes can be improved by cross-linking, blending, grafting, or adding a small amount of plasticizers with a variety of polymers. In-situ curing can improve the physical contact between the polymer electrolyte and the positive and negative electrodes to the level of liquid batteries. The design of asymmetric electrolytes can broaden the electrochemical window of polymer electrolytes. The battery manufacturing process developed earlier and is relatively mature. The polymer electrolyte layer can be prepared by dry or wet methods. Battery cell assembly is achieved through roll-to-roll compounding between electrodes and electrolytes. Both dry and wet methods are very mature, easy to manufacture large batteries, and are closest to the existing liquid battery preparation methods.
Halidni elektrolit:
Prednosti:nizek elektronski upor, visoka ionska selektivnost, visoka redukcijska stabilnost in ni enostavno razpokati.
Slabosti:Še vedno je v laboratorijski fazi, ima slabo kemijsko stabilnost in oksidativno stabilnost ter visoko ionsko odpornost.
Zaradi izrazitih prednosti in slabosti halogenidov in polimerov bo prihodnja svetovna konkurenca za polprevodniške baterije osredotočena predvsem na okside in sulfide. Pravzaprav so zaradi njegove slabe kemične stabilnosti vrste materialov, ki jih je mogoče izbrati za sulfidne elektrolite, zelo ozke, toda dokler se najdejo ustrezni materiali in procesni preboji, je to pomanjkljivost mogoče nadomestiti.
Vendar pa bodo z vidika industrializacije zapleteni procesi povzročili višje stroške in zgornjo mejo obsega, zato so trdni oksidni elektroliti trenutno glavni tok pri razvoju polprevodniških baterij. Od tekočih baterij do polprevodniških baterij bo obstajala stopnja poltrdne baterije, najprimernejša na tej stopnji pa je oksidna pot. To je zaradi njegove celovite učinkovitosti in stroškovnih prednosti. Polprevodniške baterije lahko hitreje nadomestijo trenutne tekoče baterije, pri čemer postopoma izkoriščajo prednosti in stroškovno učinkovitost polprevodniških baterij.
Z napredkom tehnologije še vedno ni jasno, ali bodo v prihodnosti na svetu prevladovali oksidi ali sulfidi. Jedro tehnologije polprevodniških baterij je raziskava in razvoj polprevodniških elektrolitov. Čeprav so trenutni trdni elektrolitski materiali dosegli velik napredek, imajo še vedno težave, kot so slaba prevodnost, velika mejna odpornost in visoki stroški priprave. Za izboljšanje prevodnosti in stabilnosti trdnih elektrolitov so potrebne nadaljnje osnovne raziskave in tehnološki preboji.
