Acumulator în stare solidă

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

O baterie în stare solidă este un tip de baterie care folosește electrozi solizi și un electrolit în stare solidă , în locul electroliților cu gel lichid sau polimeric care se găsesc în bateriile litiu-ion sau litiu- polimer . [1] [2] Materialele utilizate ca electroliți solizi în acumulatori de stare solidă includ ceramică (de exemplu, oxizi , sulfuri , fosfați ) și polimeri solizi. Acumulatorii de stare solidă au găsit utilizare la stimulatoare cardiace , RFID și dispozitive purtabile . Sunt sigure, au densități energetice mari , dar pe de altă parte au un cost foarte mare.

Istorie

Între 1831 și 1834, Michael Faraday a descoperit electroliți cu sulfură de argint solid și fluorură de plumb (II) , care au pus bazele ionicelor în stare solidă . [3] [4] Bateriile de înaltă performanță sunt considerate dispozitive cu ion solid. [5]

La sfârșitul anilor 1950, s-au făcut eforturi pentru dezvoltarea unei baterii în stare solidă. [6] Primele baterii în stare solidă foloseau un electrolit conductiv de ioni de argint , aveau densități de energie scăzute și tensiuni ale celulei și rezistență internă ridicată . O nouă clasă de electroliți în stare solidă, dezvoltată de Laboratorul Național Oak Ridge în anii 1990, a fost încorporată ulterior în unele baterii litiu-ion cu film subțire. [7]

În 2011, Bolloré a lansat BlueCar cu o baterie de polimer litiu de 30kWh, care utilizează un electrolit solid de polimer creat prin dizolvarea unei sări de litiu într-un copolimer solvent (polioxietilenă).

În 2013, cercetătorii de la Universitatea Colorado din Boulder au anunțat dezvoltarea unei baterii cu litiu în stare solidă, cu un catod solid bazat pe o compoziție chimică fier - sulf , care promitea o capacitate energetică mai mare. [8]

În 2014, cercetătorii Sakti3 au anunțat o baterie electrolitică litiu-ion în stare solidă și au declarat o densitate mai mare de energie la un cost mai mic. [9] Toyota și- a anunțat angajamentul pentru dezvoltarea bateriei în stare solidă [10] și deține majoritatea brevetelor . [11] În 2015, Sakti3 a fost achiziționat de Dyson . [12]

În 2017, John Goodenough , co-inventatorul bateriilor litiu-ion, a dezvăluit o baterie solidă, folosind un electrolit de sticlă și un anod alcalin-metalic realizat din litiu , sodiu sau potasiu . [13] În 2017, Toyota a anunțat întărirea unui parteneriat de zece ani cu Panasonic , care include o colaborare pe baterii în stare solidă. [14] Alți producători de automobile care dezvoltă tehnologii de baterii în stare solidă sunt BMW , [15] Honda , [16] Hyundai [17] și Nissan . [18] Dyson, o companie cunoscută pentru fabricarea aparatelor de uz casnic , a anunțat planurile de a lansa o mașină electrică până în 2020. [12] Cu doi ani înainte de anunț, Dyson cumpărase Sakti3, o companie de cercetare a bateriilor în stare solidă. Dyson a abandonat proiectul de mașini electrice în 2019, dar a spus că tehnologia bateriei va fi dezvoltată în continuare. [19] Fisker declară că tehnologia sa de baterii în stare solidă va fi pregătită pentru „producția de serie pentru industria auto” în 2023. [20] NGK , o companie cunoscută pentru producerea bujiilor , dezvoltă baterii cu stare solidă pe bază de ceramică, folosind din experiența sa în acest sector. [21]

În 2018, Solid Power a anunțat că a primit finanțare de 20 de milioane de dolari pentru o linie mică de producție pentru a produce baterii reîncărcabile cu litiu în stare solidă. [22] Linia va putea produce baterii cu o capacitate de aproximativ 10 megawatt-oră pe an. [23] Volkswagen a anunțat o investiție de 100 de milioane de dolari în QuantumScape, o pornire a bateriei în stare solidă născută în Stanford. [24] Compania chineză Qing Tao a început o linie de producție a bateriilor în stare solidă. [25]

Materiale

Materialele propuse pentru utilizare ca electroliți solizi în bateriile cu stare solidă sunt ceramice , [26] sticlă (a se vedea bateria de sticlă), [13] și sulfuri. [27] Catodii de baterii în stare solidă tind să fie întotdeauna un catod pe bază de litiu cu multe variante care au fost testate, cum ar fi LiCoO 2 , LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , LiMn 2 O 4 și LiNi 0,8 Co 0,15 Al 0,05 O 2 . Anodii bateriilor se află în stare în funcție de tipul de electrolit solid utilizat. Câteva exemple de anodi în stare solidă sunt In, Ge x Si 1− x , SnO - B 2 O 3 , SnS - P 2 S 5 , Li 2 FeS 2 , FeS, NiP 2 și Li 2 SiS 3 . [28]

Un material promițător pentru catod este litiul-sulf , care are o capacitate teoretică de 1670 mAhg -1 , „care este de zece ori mai mare decât valoarea reală a LiCoO 2 ”. Sulful nu poate fi utilizat ca catod în aplicațiile de electroliți lichizi, deoarece este solubil în majoritatea electroliților lichizi, provocând o reducere drastică a duratei de viață a bateriei. Acesta este motivul pentru care sulful este în prezent studiat pe larg în aplicații în stare solidă. [28] Recent, a fost dezvoltată o țesătură ceramică care s-a dovedit promițătoare atunci când este utilizată într-o baterie solidă Li-S. Această țesătură a fost utilizată ca separator între anod și catod și a ajutat la facilitarea transmiterii ionilor de litiu în timp ce gestiona sarcina de sulf. Rezultatele acestui dispozitiv au fost promițătoare, totuși nu au atins densitatea de energie teoretică așteptată. Rezultatul „cu suport electrolitic de 500 µm grosime și 63% utilizare a zonei electrolitice” a fost „71 Wh / kg” în timp ce densitatea energetică prevăzută a fost de 500 Wh / kg. [29]

Bateriile Li-O 2 în stare solidă arată promițătoare pentru a îmbunătăți bateriile actuale cu capacitatea lor teoretică ridicată. Cu toate acestea, principala problemă cu aceste dispozitive este că „anodul de litiu trebuie etanșat de atmosfera ambiantă, în timp ce catodul de aer trebuie să fie în contact cu acesta”. [28]

Bateria Li / LiFePO 4 este la fel de promițătoare ca o aplicație în stare solidă pentru vehicule electrice. Un studiu realizat în 2010 a evidențiat acest material ca o alternativă sigură la bateriile reîncărcabile pentru vehiculele electrice. [30]

Aplicații

Bateriile în stare solidă sunt utilizate în stimulatoare cardiace , RFID și dispozitive purtabile .[31] [32]

Vehicule electrice

Mașinile electrice hibride și plug-in-uri folosesc o varietate de tehnologii de baterii, inclusiv litiu-ion , nichel-metal hidrură , plumb-acid și condensator electric cu strat dublu . [33]

Dezavantaje

Cost

Bateriile în stare solidă au fost în mod tradițional scumpe de fabricat [34], iar procesele de fabricație sunt dificil de scalat, necesitând echipamente scumpe pentru depunerea în vid. [7] În 2012 s-a estimat că, pe baza tehnologiei actuale, o baterie în stare solidă de 20 Ah ar costa 100.000 de dolari, iar o mașină electrică de ultimă generație ar necesita între 800 și 1.000 de astfel de celule. Costul a împiedicat adoptarea bateriilor în stare solidă în alte domenii, cum ar fi smartphone-urile .[31]

Efectele temperaturii și presiunii

Operațiile la temperatură scăzută pot fi provocatoare. [34] Bateriile în stare solidă erau odinioară cunoscute pentru performanțe slabe în această stare. [8]

Bateriile în stare solidă cu electroliți ceramici necesită o presiune ridicată pentru a menține contactul cu electrozii. [35] Bateriile în stare solidă cu separatoare ceramice se pot rupe din cauza solicitării mecanice. [7]

Dendrite

Dendrit litiu metalic al anodului care pătrunde prin separator și crește către catod.

Anodii solidi litiu- metalici din bateriile în stare solidă înlocuiesc anodii de grafit din bateriile litiu-ion pentru densitate mai mare de energie , siguranță și timpi de încărcare mai mari. Litiul solid ca anod este supus formării și creșterii dendritelor datorită depunerii inegale a metalului. [36]

Dendritele pătrund în separatorul situat între anod și catod pentru a evita scurtcircuitele . Pătrunderea prin separator creează un scurtcircuit care generează supraîncălzire, incendii sau explozii din propagarea termică fugă . [37] Dendritele reduc eficiența lui Coulomb. [38]

Dendritele se formează de obicei în timpul electrodepoziției [39] în timpul încărcării și descărcării. Ionii de litiu din electrolit se combină cu electronii de pe suprafața anodului pe măsură ce bateria se încarcă, formând un strat metalic de litiu. [40] În mod ideal, depunerea de litiu are loc uniform pe anod. Cu toate acestea, dacă creșterea nu este uniformă, structurile pot crește într-un model asemănător acului prin electrolit și / sau separator. [41]

S-a dovedit că interfața stabilă a electroliților solizi (SEI) este cea mai eficientă strategie pentru a inhiba creșterea dendritei și a obține performanțe mai ridicate ale ciclului bateriei. [38] Electroliții în stare solidă (SSE) ar putea preveni creșterea dendritei, deși aceasta este încă doar o ipoteză. [37] Un studiu din 2018 a identificat separatoare ceramice nanopore care blochează creșterea dendritului de litiu până la densitățile critice de curent . [42]

Beneficii

Se crede că tehnologia bateriei în stare solidă poate crește densitatea energiei (2,5x), [43] utilizând anodul litiu metalic.

Ele pot evita utilizarea de materiale periculoase sau toxice găsite în bateriile comerciale, cum ar fi electroliții organici. [44]

Deoarece majoritatea electroliților lichizi sunt inflamabili, iar electroliții solizi sunt neinflamabili, se crede că bateriile în stare solidă sunt mai sigure. Sunt necesare mai puține sisteme de siguranță, în fața unei creșteri a densității de energie. [1] [44] Studii recente arată că generarea internă de căldură este de doar aproximativ 20-30% în comparație cu bateriile convenționale cu electrolit lichid termic care fugă. [45]

Se crede că tehnologia bateriei în stare solidă permite o încărcare mai rapidă. [46] [47] Este posibil să existe o diferență de potențial mai mare și o durată mai lungă a ciclului. [34] [44]

Notă

  1. ^ a b Marc S. Reisch, Bateriile în stare solidă se îndreaptă spre comercializare , în Chemical & Engineering News , vol. 95, nr. 46, 20 noiembrie 2017, pp. 19-21, DOI : 10.1021 / cen-09546-autobuz .
  2. ^ Andy Vandervell, Ce este o baterie solid-state? Avantajele explicate , în Wired UK , 26 septembrie 2017. Adus pe 7 ianuarie 2018 .
  3. ^ Solid State Ionics: de la Michael Faraday la energia verde - dimensiunea europeană , în Știința și tehnologia materialelor avansate , vol. 14, n. 4, august 2013, p. 043502, Bibcode : 2013STAdM..14d3502F , DOI : 10.1088 / 1468-6996 / 14/4/043502 , PMID 27877585 .
  4. ^ Sehee Lee, Solid State Cell Chemistries and Designs ( PDF ), pe ARPA-E , 2012. Accesat la 7 ianuarie 2018 .
  5. ^ Werner Weppner, Ingineria dispozitivelor ionice în stare solidă , în International Journal of Ionics , vol. 9, 5-6, septembrie 2003, pp. 444-464, DOI : 10.1007 / BF02376599 .
    „Dispozitive ionice în stare solidă, cum ar fi bateriile de înaltă performanță ...” .
  6. ^ Boone B. Owens și MZA Munshi, History of Solid State Batteries ( PDF ), în Centrul de Informații Tehnice de Apărare , Centrul de Cercetare a Coroziunii, Universitatea din Minnesota , ianuarie 1987, Bibcode : 1987umn..rept ..... O. Adus pe 7 ianuarie 2018 .
  7. ^ a b c Kevin S. Jones, Nicholas G. Rudawski și Isaiah Oladeji, The state of solid-state batteries ( PDF ), în American Ceramic Society Bulletin , vol. 91, nr. 2. Adus la 25 ianuarie 2021 (arhivat din original la 19 februarie 2018) .
  8. ^ A b Baterie solidă dezvoltată la CU-Boulder ar putea dubla gama de mașini electrice de pe colorado.edu, University of Colorado-Boulder , 18 septembrie 2013. Accesat pe 7 ianuarie 2018 (depus de 'url original 7 noiembrie 2013 ) .
  9. ^ Brian Dumaine, Această baterie va schimba totul? , în revista Fortune , 18 septembrie 2014. Adus pe 7 ianuarie 2018 .
  10. ^ Hans Greimel, Toyota pregătește bateriile în stare solidă pentru anii '20 , în Automotive News , 27 ianuarie 2014. Adus pe 7 ianuarie 2018 .
  11. ^ David R Baker, De ce tehnologia litiu-ion este pregătită să domine viitorul stocării energiei , la www.renewableenergyworld.com , Bloomberg, 3 aprilie 2019. Accesat la 7 aprilie 2019 (arhivat din original la 7 aprilie 2019) .
  12. ^ a b Magnatul de vid James Dyson va lansa o mașină electrică până în 2020 , la Forbes , 26 septembrie 2017. Adus pe 7 ianuarie 2018 .
  13. ^ a b Lithium-Ion Battery Inventor introduce o nouă tehnologie pentru încărcare rapidă, baterii necombustibile , Universitatea Texas din Austin , 28 februarie 2017. Accesat pe 7 ianuarie 2018 .
  14. ^ Kevin Buckland și Hideki Sagiike, Toyota Deepens Panasonic Battery Ties in Electric-Car Rush . Bloomberg Technology . 13 decembrie 2017. Accesat la 7 ianuarie 2018 .
  15. ^ Solid Power, partener BMW pentru a dezvolta baterii EV de nouă generație , în Reuters , 18 decembrie 2017. Adus pe 7 ianuarie 2018 .
  16. ^ Andrew Krok, Honda saltează pe bateria în stare solidă , Roadshow de CNET , 21 decembrie 2017. Accesat la 7 ianuarie 2018 .
  17. ^ Fred Lambert, Hyundai , ar fi început producția pilot de baterii în stare solidă de ultimă generație pentru vehicule electrice , în Electrek , 6 aprilie 2017. Adus pe 7 ianuarie 2018 .
  18. ^ Honda și Nissan au declarat că vor dezvolta baterii în stare solidă de nouă generație pentru vehicule electrice , în The Japan Times , 21 decembrie 2017. Accesat pe 7 ianuarie 2018 .
  19. ^ (RO) Dyson renunță la planuri pentru mașina electrică , 10 octombrie 2019. Accesat la 10 octombrie 2019.
  20. ^ Fred Lambert, Fisker susține o „descoperire” a bateriei în stare solidă pentru mașinile electrice cu „autonomie de 500 de mile și 1 min de încărcare” , în Electrek , 14 noiembrie 2017. Adus pe 7 ianuarie 2018 .
  21. ^ Naomi Tajitsu. Bracing for EV shift. NGK Spark Plug aprinde toate căutările bateriei în stare solidă . Reuters 21 decembrie 2017. Accesat la 7 ianuarie 2018 .
  22. ^ Solid Power strânge 20 de milioane de dolari pentru a construi baterii în stare solidă - Cuarț , la qz.com . Adus pe 10 septembrie 2018 .
  23. ^ Samsung Venture, Hyundai Investing in Battery Producer , la www.bloomberg.com . Adus la 11 septembrie 2018 .
  24. ^ Volkswagen devine cel mai recent producător de automobile care a investit în baterii în stare solidă pentru mașini electrice , 22 iunie 2018.
  25. ^ Fred Lambert, China începe producția de baterii în stare solidă , sporind densitatea de energie mai mare , pe electrek.co , 20 noiembrie 2018.
  26. ^ David L. Chandler, Studiul sugerează calea spre îmbunătățirea bateriilor reîncărcabile cu litiu , Massachusetts Institute of Technology , 12 iulie 2017.
    "Cercetătorii au încercat să rezolve aceste probleme folosind un electrolit din materiale solide, cum ar fi unele ceramice". .
  27. ^ David L. Chandler, Toward all-solid lithium batteries , Massachusetts Institute of Technology , 2 februarie 2017.
    „Cercetătorii investighează mecanica sulfurilor de litiu, care arată promisiuni ca electroliți solizi”. .
  28. ^ a b c Kazunori Takada, Progress and prospective of solid-state lithium batteries , în Acta Materialia , The Diamond Jubilee Issue, vol. 61, nr. 3, 1 februarie 2013, pp. 759-770, DOI : 10.1016 / j.actamat.2012.10.034 , ISSN 1359-6454 ( WC ACNP ) .
  29. ^ Yunhui Gong, Kun Fu și Shaomao Xu, textile din ceramică conductivă cu ioni de litiu: o nouă arhitectură pentru bateriile flexibile cu litiu metalic în stare solidă , în Materials Today , vol. 21, n. 6, 1 iulie 2018, pp. 594-601, DOI : 10.1016 / j.mattod.2018.01.001 , ISSN 1369-7021 ( WC ACNP ) .
  30. ^ L. Damen, J. Hassoun și M. Mastragostino, baterie polimerică Li / LiFePO4 în stare solidă, reîncărcabilă pentru utilizarea vehiculelor electrice , în Journal of Power Sources , vol. 195, nr. 19, 1 octombrie 2010, pp. 6902-6904, DOI : 10.1016 / j.jpowsour.2010.03.089 , ISSN 0378-7753 ( WC ACNP ) .
  31. ^ a b Kris Carlon, Tehnologia bateriei care ar putea pune capăt incendiilor pe baterie , în Android Authority , 24 octombrie 2016. Accesat pe 7 ianuarie 2018 .
  32. ^ Ne vor alimenta pe toți bateriile în stare solidă? , în The Economist , 16 octombrie 2017. Adus pe 7 ianuarie 2018 .
  33. ^ Depozitarea energiei , la Laboratorul Național de Energii Regenerabile . Adus pe 7 ianuarie 2018 .
    „Mulți producători auto au adoptat bateriile litiu-ion (Li-ion) ca opțiune preferată de stocare a energiei EDV, capabile să furnizeze energia și densitatea necesară într-un pachet relativ mic și ușor.” .
  34. ^ a b c Kevin S. Jones, Starea bateriilor în stare solidă ( PDF ), pe ehcar.net . Adus pe 7 ianuarie 2018 .
  35. ^ Nou electrolit hibrid pentru baterii cu litiu în stare solidă , pe phys.org , 21 decembrie 2015. Adus pe 7 ianuarie 2018 .
  36. ^ Kevin N. Wood, Eric Kazyak și Alexander F. Chadwick, Dendrites and Pits: Untangling the Comportamentul complex al anodilor metalici de litiu prin Operando Video Microscopy , în ACS Central Science , vol. 2, nr. 11, 14 octombrie 2016, pp. 790-801, DOI : 10.1021 / acscentsci.6b00260 , PMID 27924307 .
  37. ^ a b Hanqing Jiang, Ming Tang și Huigao Duan, Mecanism de creștere a dendritei de litiu condus de stres și atenuarea dendritei prin galvanizare pe substraturi moi , în Nature Energy , vol. 3, nr. 3, martie 2018, pp. 227-235, Bibcode : 2018NatEn ... 3..227W , DOI : 10.1038 / s41560-018-0104-5 , ISSN 2058-7546 ( WC ACNP ) .
  38. ^ a b Xin-Bing Cheng și Zhang, O revizuire a interfazelor electrolitice solide pe anodul metalic de litiu , în Advanced Science , vol. 3, nr. 3, 17 noiembrie 2015, p. 1500213, DOI : 10.1002 / advs.201500213 , PMID 27774393 .
  39. ^ DOI : 10.1007 / 978-3-319-44054-5_4 , ISBN 978-3-319-44053-8 . din
  40. ^ (EN) Katherine Joann Harry, Creșterea dendritei de litiu prin membrane electrolitice polimerice solide , 1 mai 2016, DOI : 10.2172 / 1481923 .
  41. ^ John Newman și Charles Monroe, Dendrite Growth in Lithium / Polymer Systems Un model de propagare pentru electroliți lichizi în condiții galvanostatice , în Journal of the Electrochemical Society , vol. 150, nr. 10, 1 octombrie 2003, pp. A1377 - A1384, DOI : 10.1149 / 1.1606686 , ISSN 0013-4651 ( WC ACNP ) .
  42. ^ (EN) Martin Z. Bazant, Fikile R. Brushett Ju și Li, Interacțiuni între creșterile de litiu și separatoarele ceramice nanoporoase , în Joules, vol. 2, nr. 11, 21 noiembrie 2018, pp. 2434-2449, DOI : 10.1016 / j.joule.2018.08.018 , ISSN 2542-4785 ( WC ACNP ) .
  43. ^ Dudney (ed.), Handbook of Solid State Batteries , in Materials and Energy , vol. 6, a 2-a ediție, World Scientific Publishing Co. Pte, 2015, DOI : 10.1142 / 9487 , ISBN 978-981-4651-89-9 .
  44. ^ a b c Kevin Bullis, Solid-State Batteries - Cell-high-energy pentru mașini electrice mai ieftine , în MIT Technology Review , 19 aprilie 2011. Adus pe 7 ianuarie 2018 .
  45. ^ Takao Inoue si Kazuhiko Mukai, sunt toate-Solid-State baterii litiu-ion într - adevăr sigur? - de verificare prin scanare diferențială Calorimetria cu un All-Inclusive Microcell , în ACS Applied Materials & Interfaces, vol. 9, nr. 2, 18 ianuarie 2017, pp. 1507-1515, DOI : 10.1021 / acsami.6b13224 , ISSN 1944-8244 ( WC ACNP ) , PMID 28001045 .
  46. ^ Paul A. Eisenstein, De la telefoane mobile la mașini, aceste baterii ar putea tăia cablul pentru totdeauna , în NBC News , 1 ianuarie 2018. Adus pe 7 ianuarie 2018 .
  47. ^ Eric Limer, Toyota Working on Electric Cars That Charge in Minutes for 2022 , in Popular Mechanics , 25 iulie 2017. Accesat la 7 ianuarie 2018 .

Bibliografie

Elemente conexe

Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Accumulator_al_solid_state&oldid=121933948 ”