در موج فعلی توسعه شدید فن آوری های انرژی جدید ، باتری حالت جامد ، به عنوان یک فناوری باتری بسیار امیدوار کننده نسل بعدی ، توجه گسترده ای را از همه جنبه های زندگی به خود جلب کرده است. از آنجا که نیاز افراد برای استقامت دستگاه های الکترونیکی و دامنه رانندگی وسایل نقلیه برقی همچنان افزایش می یابد و تأکید آنها بر عملکرد ایمنی باتری روز به روز رشد می کند ، باتری حالت جامد بسیار پیش بینی می شود تا از نظر ایمنی و دامنه بسیاری از نقاط درد باتری های لیتیوم یون سنتی را برطرف کند. با این حال ، قبل از محبوبیت و کاربرد در مقیاس بزرگ ، یک سؤال اساسی در ذهن مصرف کنندگان ایجاد می شود: آیا باتری حالت جامد ایمن است و قادر به ارائه مسافت طولانی است؟ برای پاسخ به این سؤال ، ما باید به مکانیسم کار ، ویژگی های فنی و تحقیقات فعلی و وضعیت کاربردی باتری های حالت جامد بپردازیم.
اصل کار و خصوصیات ساختاری باتری حالت جامد
تفاوت اصلی بین باتری حالت جامد و باتری لیتیوم یون مایع سنتی در قالب الکترولیت قرار دارد. باتری های لیتیوم یون مایع سنتی از الکترولیت مایع برای دستیابی به فرآیند شارژ و تخلیه از طریق حرکت یون های لیتیوم بین الکترودهای مثبت و منفی استفاده می کنند. در مقابل ، باتری های حالت جامد از الکترولیت جامد استفاده می کنند ، که به طور معمول از مواد سرامیکی ، پلیمر یا سولفید ساخته شده است. در باتری های حالت جامد ، یونهای لیتیوم نیز در طول شارژ از الکترود مثبت خارج می شوند و از طریق الکترولیت جامد به الکترود منفی می پردازند. در حین تخلیه ، آنها در جهت مخالف حرکت می کنند ، در حالی که الکترونها از الکترود منفی به الکترود مثبت از طریق مدار خارجی جریان می یابند و جریان را برای تأمین نیرو تولید می کنند.
استفاده از باتری های حالت جامد الکترولیت جامد با خصوصیات ساختاری منحصر به فرد. در مقایسه با الکترولیت مایع ، که برای جلوگیری از اتصال کوتاه بین الکترودهای مثبت و منفی ، به جداکننده نیاز دارد ، خود الکترولیت جامد عملکرد دوگانه هدایت یون و جداسازی الکترود را دارد و ساختار باتری را فشرده تر می کند. در همین حال ، الکترولیت جامد ثبات بالاتری را نشان می دهد و کمتر در معرض فرار و نشت قرار دارد و پایه ای برای بهبود عملکرد ایمنی باتری ایجاد می کند.
عملکرد ایمنی باتری حالت جامد
باتری های لیتیوم یون مایع سنتی خطر فراری حرارتی را در شرایط درجه حرارت بالا به وجود می آورند. هنگامی که دمای باتری بیش از یک آستانه خاص مانند 80 درجه باشد ، ممکن است الکترولیت مایع برای تولید گازهای قابل اشتعال تجزیه شود و واکنشهای جانبی در باتری شدت می یابد و منجر به تجمع سریع گرما می شود و در نهایت باعث می شود باتری آتش بگیرد یا حتی منفجر شود. داده های آژانس آزمایش TüV آلمان به وضوح این خطر پنهان را نشان می دهد.
باتری های حالت جامد مزایای قابل توجهی در ثبات حرارتی دارند. به دلیل عدم وجود اجزای مایع فرار و قابل اشتعال در الکترولیت جامد ، پایداری حرارتی آن بسیار بالاتر از الکترولیت مایع است. آزمایش سوراخ که توسط سازمان جدید توسعه انرژی و فناوری صنعتی (NEDO) ژاپن انجام می شود چشمگیر است: وقتی یک سوزن فولادی یک باتری با حالت جامد را سوراخ می کند ، دمای باتری فقط 2 درجه افزایش می یابد ، در حالی که یک باتری سنتی لیتیوم یون فقط در 3 ثانیه آتش می گیرد و منفجر می شود. این نتیجه تجربی بصری ایمنی برتر باتری های حالت جامد را در مواجهه با سوء استفاده از مکانیکی شدید نشان می دهد.
در مقاله ای با عنوان "آیا باتری های حالت جامد از باتری های لیتیوم یون (مایع) ایمن تر هستند؟" محققان که در آوریل 2022 در علوم منتشر شده اند ، در مورد میزان انتشار گرما و افزایش دما باتری های لیتیوم یون مایع ، باتری های نیمه جامد با مقدار مشخصی از الکترولیت و باتری های حالت جامد تحت سه سناریوی فراری حرارتی بحث کردند. این مطالعه نشان داد که در حالت فراری حرارتی ناشی از گرمایش خارجی ، باتری های حالت جامد حالت از باتری های نیمه جامد و مایع لیتیوم یون استفاده می کنند. چگالی بالای الکترولیت جامد در باتری های حالت جامد می تواند یک مانع گاز مؤثر را تشکیل دهد و از تماس بین لیتیوم بر روی الکترود منفی و اکسیژن آزاد شده از الکترود مثبت جلوگیری می کند. در این سناریوی فرضی ، انتشار گرمای قابل توجهی وجود نخواهد داشت.
مهار رشد دندریت لیتیوم
در طی فرآیند شارژ و تخلیه باتری های لیتیوم یون مایع سنتی ، یون های لیتیوم ممکن است به طور مستقیم در سطح الکترود منفی در طی شارژ سریع متبلور شوند و دندریت های خطرناک لیتیوم را تشکیل دهند. رشد دندریت های لیتیوم نه تنها منجر به پوسیدگی ظرفیت باتری می شود بلکه ممکن است جداکننده را نیز سوراخ کند و باعث ایجاد یک مدار کوتاه بین الکترودهای مثبت و منفی و ایجاد یک حادثه ایمنی شود. این خطر پنهان توسط مهندسان CATL فاش شد.
باتری های حالت جامد پتانسیل در مهار رشد دندریت لیتیوم را نشان می دهند. ساختار و خصوصیات خاص الکترولیت جامد می تواند یک مسیر یکنواخت تر برای مهاجرت یون لیتیوم فراهم کند و احتمال تشکیل دندریت لیتیوم را کاهش می دهد. اگرچه از بین بردن کاملاً از بین بردن رشد دندریت لیتیوم هنوز هم در کاربردهای عملی چالش هایی را ایجاد می کند ، روند بهبود باتری های حالت جامد در این رابطه در مقایسه با باتری های لیتیوم یون مایع مشهود است.
خطرات ایمنی بالقوه
با وجود مزایای بسیاری از باتری های حالت جامد از نظر ایمنی ، آنها کاملاً بی خطر نیستند. در موارد خاص ، مانند زمانی که الکترولیت جامد از بین می رود یا دندریت های لیتیوم به الکترولیت جامد نفوذ می کنند و باعث ایجاد یک مدار کوتاه می شوند ، ایمنی باتری های حالت جامد و باتری های نیمه جامد از باتری های لیتیوم یون مایع برتر نیست. پروفسور Ai Xinping از دانشکده شیمی و علوم مولکولی در دانشگاه ووهان خاطرنشان می کند که این ادعا که باتری های حالت جامد هم چگالی انرژی بالایی دارند و هم ایمنی خوب در واقع شامل یک مفهومی مفهومی از دست است. از آنجا که برخی از مواد موجود در باتری های حالت جامد ممکن است در صورت بروز حادثه گازهای سمی مانند سولفید هیدروژن تولید کنند ، اگرچه آنها به طور مستقیم افرادی مانند باتری های سنتی را نمی سوزانند ، گاز سولفید هیدروژن سمی است و می تواند آسیب جدی به بدن انسان وارد کند.
پتانسیل باتری حالت جامد در محدوده
از نظر تئوری ، باتری های حالت جامد پتانسیل دستیابی به چگالی انرژی بالا را دارند که انتظار می رود استقامت دستگاه ها را به میزان قابل توجهی افزایش دهد. الکترولیت جامد امکان استفاده از لیتیوم فلزی خالص را به عنوان الکترود منفی فراهم می کند ، که به طور قابل توجهی ظرفیت ذخیره انرژی در هر واحد را افزایش می دهد. داده های تجربی از انستیتوی بیولوژیک و بیولوژیکی Qingdao از آکادمی علوم چین نشان می دهد که چگالی انرژی نمونه های باتری حالت جامد آنها از 500WH\/کیلوگرم فراتر رفته است ، در حالی که چگالی انرژی باتری 21700 مورد استفاده در مدل TESLA 3 تنها 260WH\/کیلوگرم است.
با استفاده از وسایل نقلیه برقی به عنوان نمونه ، دامنه رانندگی همیشه مورد توجه توجه مصرف کننده بوده است. باتری Kunpeng از چری ، به عنوان نماینده باتری های حالت جامد ، قصد دارد در سال 2024 به چگالی انرژی 400Wh\/kg در سال 2024 برسد و در سال 2025 آن را به 600WH\/kg افزایش دهد. طبق این طرح ، هنگامی که در سال 2027 تولید انبوه ، محدوده رانندگی برقی خالص از 1500 کیلومتر انتظار می رود. در صورت دستیابی به این اهداف ، اضطراب دامنه کاربران وسایل نقلیه الکتریکی را به شدت کاهش می دهد.
چالش ها در محدوده واقعی
با این حال ، از آزمایشگاه گرفته تا کاربردهای عملی ، باتری های حالت جامد هنوز از نظر دامنه با برخی از چالش ها روبرو هستند. در مرحله اول ، امپدانس رابط بین الکترولیت جامد و الکترودها نسبتاً برجسته است ، که شبیه به راه اندازی غرفه عوارض در بزرگراه است ، مانع انتقال سریع یون های لیتیوم و تأثیرگذاری بر شارژ و بازده تخلیه باتری می شود و از این طریق تأثیر منفی بر دامنه می گذارد. ثانیاً ، نقص کشنده الکترولیت سولفید ، که در هنگام قرار گرفتن در معرض آب سولفید هیدروژن بسیار سمی ایجاد می کند ، نه تنها خطرات ایمنی را در طول تولید باتری افزایش می دهد و همچنین چالش های شدیدی را برای ثبات و قابلیت اطمینان باتری ایجاد می کند. علاوه بر این ، بازده پایین تهیه فیلم الکترولیت جامد منجر به هزینه های بالای تولید در مقیاس بزرگ می شود و باعث محدود کردن کاربرد گسترده باتری های حالت جامد و تأثیر غیرمستقیم بر روند نشان دادن مزایای دوربرد آنها در بازار می شود.
نتیجه گیری و چشم انداز
به طور خلاصه ، باتری های حالت جامد از نظر ایمنی و دامنه پتانسیل قابل توجهی را نشان می دهند. از نظر ایمنی ، مزایای پایداری حرارتی آنها مشهود است ، و می توانند به طور موثری رشد دندریت لیتیوم را مهار کنند و آنها را در بیشتر موارد ایمن تر و قابل اطمینان تر از باتری های سنتی لیتیوم یون مایع می کند. با این حال ، در مواجهه با شرایط شدید مانند خرابی الکترولیت جامد ، هنوز خطرات ایمنی خاصی وجود دارد. از نظر دامنه ، مزیت نظری چگالی انرژی بالا امکان برد طولانی را فراهم می کند ، و برخی از داده های تجربی و برنامه های شرکت ها نیز چشم انداز امیدوار کننده ای را نشان می دهند. با این حال ، در کاربردهای عملی ، موضوعاتی مانند امپدانس رابط ، نقص الکترولیت و هزینه موانعی شده است که مانع تحقق کامل مزایای دوربرد آنها می شود.
علیرغم مواجهه با چالش های بی شماری ، باتری های حالت جامد هنوز به عنوان یک جهت توسعه مهم برای فن آوری های باتری نسل بعدی در نظر گرفته می شوند.