Tahkispatareid: millal saavad "asendajatest" "põhialused"?

Tahkispatareidon kujunemas järgmise põlvkonna toiteallikaks, kuid tõenäoliselt hakatakse esmalt turustama hübriidseid tahke-vedelakusid ja toimima olulise sillana tänaste vedelate liitiumioonelementide ja tulevaste tahkissüsteemide vahel.

Mis on tahkispatareid

Tahkisakud asendavad tuleohtlikud vedelad elektrolüüdid tahkete materjalidega, võimaldades samal ajal suuremat energiatihedust ja paremat ohutust. Nende katoodid võivad kasutada suure energiatarbega materjale, näiteks liitiumirikkaid mangaanipõhiseid ühendeid, samas kui anood võib kombineerida nanoräni ja grafiiti, et tõsta energiatihedust 300–450 Wh/kg suunas.

Tahke elektrolüüt kannab liitiumioone ilma lekkeohuta ja vähendab oluliselt termilise põgenemise tõenäosust.

Suurema võimsusega anoodid ja kõrgepinge katoodid annavad pooljuhtakudele potentsiaali pikemaks sõiduulatuseks elektrisõidukites ja parema vastupidavuse droonides või energiasalvestussüsteemides.

Hübriidne tahke-vedelik üleminekuna

Artiklis eristatakse vedelaid, hübriidseid tahke-vedelakusid ja täisfaasilisi liitiumakusid, rõhutades, et hübriidkonstruktsioonid on oluline üleminekuetapp. Turul olevad pooltahked, kvaasitahked ja "tahked" akud kuuluvad suures osas sellesse hübriidkategooriasse, mis erinevad ainult vedela ja tahke elektrolüüdi suhte poolest.

Tahke-vedeliku hübriidakud sisaldavad siiski veidi vedelat elektrolüüti, mis parandab kontakti aktiivsete materjalidega ja hõlbustab tootmist.

Tahkisakud sisaldavad ainult tahket elektrolüüti, pakkudes paremat siseturvalisust ja suuremat teoreetilist energiatihedust, kuid seisavad silmitsi tänapäeval raskemate tehniliste väljakutsetega.

Täieliku tahkisoleku tehnilised tõkked

Kuigi paljud ettevõtted ja uurimisinstituudid kogu maailmas investeerivad tahkistehnoloogiasse, ei ole ükski suure võimsusega tahkis-toiteelement vedelatele liitium-ioonakudele nii jõudluse kui ka maksumuse poolest veel ühtinud. Peamine raskus seisneb tahke ja tahke liideses, kus jäigad elektrolüütmaterjalid raskendavad tiheda kontakti säilitamist elektroodidega tsükli ajal ja mahumuutuste ajal.

Praegused marsruudid hõlmavad polümeer-, õhukesekile-, sulfiid- ja oksiid-tahkepatareisid, millest igaühel on erinevad eelised ja piirangud.

Näiteks polümeersed tahkiselemendid võitlevad toatemperatuuril ja kõrgepinge katoodidega, samas kui sulfiidsüsteemid on õhu suhtes tundlikud ja nõuavad nõudlikke tootmistingimusi.

In situ tahkumise strateegia

Liideseprobleemide lahendamiseks olemasoleva liitiumiooninfrastruktuuri ärakasutamiseks pakuvad teadlased välja in situ tahkestamise lähenemisviisi hübriidsete tahke-vedelelektrolüütide jaoks. Rakkude kokkupanemisel tagab vedel prekursor hea märgumise ja kontakti; hiljem muudavad keemilised või elektrokeemilised reaktsioonid kogu selle vedeliku või osa sellest raku sees tahkeks elektrolüüdiks.

See meetod parandab elektroodi ja elektrolüüdi kontakti, pärsib liitiumdendriidi kasvu ning tasakaalustab ohutust, kõrgepinget ja kiirlaadimist.

Samuti saab see taaskasutada suurt osa praegusest vedelate liitiumioonide tootmisprotsessist, aidates tootjatel mastaapi kiiremini suurendada ja kulusid vähendada.

Tuleviku arengusuunad

Eksperdid eeldavad, et tahkis-liitiumakudel kulub enne tõelist laiaulatuslikku turustamist veel umbes viis aastat, nii et hübriid-tahke-vedelik-akud jäävad lähiajal realistlikuks teeks. Industrialiseerumise kiirendamiseks rõhutatakse artiklis vajadust kooskõlastatud edusammude järele materjalide, rakkude disaini, tootmise ja standardite vallas.

Prioriteedid on: tasakaalustatud ioonjuhtivuse, stabiilsuse ja töödeldavusega tahkete elektrolüütide väljatöötamine; sobivad suure energiatarbega elektroodid, nagu kõrge niklisisaldusega katoodid ja räni-süsinik või liitiummetalli anoodid; ja digitaalse simulatsiooni integreerimine intelligentse tootmisega.

Tööstusharu julgustatakse ehitama põhimaterjalide jaoks tugevaid tarneahelaid, investeerima automatiseeritud seadmetesse, täiustama testimis- ja hindamissüsteeme ning järk-järgult arenema hübriidsest tahke-vedeliku ahelast. liitium-ioonakudtäisfaasiliste liitiummetallist akude suunas.