Hvað eru solid-state rafhlöður?

Strax í maí á þessu ári hafa margir fjölmiðlar verið að efla 6 milljarða rafhlöðuverkefnið.

Í kjölfarið hafa nokkur solid-state rafhlöðufyrirtæki tilkynnt að þau muni iðnvæða rafhlöður í föstu formi árið 2027. Ýmsir blaðamannafundir hafa fylgt í kjölfarið til að tilkynna hversu mikil orkuþéttleiki og afköst hringrásar geta verið. Oft má heyra orkuþéttleika einnar frumu í tilteknu fyrirtæki upp á 700+Wh/kg.

Svo, hvað nákvæmlega er solid-state rafhlaða? Hvaða stigi hefur markaðurinn náð núna? Eftir að hafa átt samskipti við marga vini í kringum mig komst ég að því að fyrsta hugtakið sem auðvelt er að rugla saman við solid-state rafhlöður er hálf solid og full solid.

Segja má að nánast allar svokölluðu solid-state rafhlöður sem eru í umferð á markaðnum séu hálf-solid-state rafhlöður, það er að segja fast-fljótandi blanda. Hins vegar, eftir að hafa tekið í sundur margar solid-state rafhlöður, kom í ljós að svokölluð solid-fljótandi blanda er í raun erfitt að sjá, og er nánast það sama og ástand fljótandi rafhlaðna. Jafnvel í gegnum nokkrar nákvæmar persónulýsingar er erfitt að finna vísbendingar.

Það eru tvö dæmigerð kínversk fyrirtæki: Qingtao og Weilan. Aðalkerfi Qingtao er litíum járnfosfat (auðvitað hafa þau líka þrískipt kerfi) og Weilan er táknað með þrískiptu (auðvitað hafa þeir líka járnlitíum). Sú fyrrnefnda er aðallega keramikhúðunartækni og sú síðarnefnda er auglýst sem hernámstækni á staðnum (áhersla er lögð á kynningu). Sagt er að Qingtao sé nú með 380Wh/kg frumur í umferð og Weilan er nú að selja 350Wh/kg frumur með afkastagetu upp á 110Ah.

Hvað með all-solid-state rafhlöður? Rafhlöður sem eru í föstu formi skiptast aðallega í oxíð, fjölliður og súlfíð (auðvitað eru líka til halíð). Miðað við núverandi þróunarstöðu leiðandi fyrirtækja í heild, er öll tæknileiðin súlfíð. Svokölluð súlfíð solid-state rafhlaða er í raun blanda af jákvæðum og neikvæðum rafskautsefnum með raflausnum og bindileiðandi efni til að mynda jákvæða rafskaut (auðvitað eru þurrar og blautar aðferðir), og síðan raflausnin og lítið magn af bindiefni er blandað saman til að mynda filmu (auðvitað eru þurrar og blautar aðferðir). Ef um blauta aðferð er að ræða er súlfíðkerfið mjög viðkvæmt fyrir leysikerfinu og að sjálfsögðu þarf sérstakt bindiefni. Að lokum er jákvæðu og neikvæðu rafskautunum og raflausnhimnunni staflað lag fyrir lag til að mynda rafhlöðufrumu sem er í fullu ástandi. Hvert þessara ferla hefur bil sem hindrar iðnvæðingu rafgeyma sem eru í föstu formi.

Annað sem auðvelt er að rugla í er solid-state rafhlaða=mikið öryggi og hár orkuþéttleiki

Þetta er mikill misskilningur hjá flestum, líka þeim sem eru í greininni. Þeir halda að rafhlöður í föstu formi hafi mikla orkuþéttleika. Margir utan atvinnugreinarinnar binda oft vonir sínar við rafhlöður sem eru í föstu formi og segja oft „það verður enginn vökvi þegar rafhlöður sem eru í föstu formi koma út“. Í raun er þetta ekki raunin. Til að skilja þessa rökfræði verðum við fyrst að byrja á hugtakinu orkuþéttleiki: orkuþéttleiki=orka/þyngd og orka ræðst af efninu sjálfu, þannig að orkuþéttleiki rafhlöðufrumunnar ræðst af efniskerfinu af rafhlöðunni.

Járn-litíum rafhlöður eru nú 180Wh/kg. Þar sem þrískiptar rafhlöður eru skipt í mörg kerfi er orkuþéttleiki þeirra í grundvallaratriðum á bilinu 240-360 eða jafnvel 380Wh/kg (meira en 285Wh/kg krefst efnis sem byggir á sílikon). Auðvitað er litíum kóbaltoxíðkerfið í grundvallaratriðum meira en 200 orkuþéttleiki. Nú hefur fjöldi orkuþéttleikaáróðurs á markaðnum náð 450, 500, 600 eða jafnvel 700Wh/kg eða meira. Í grundvallaratriðum er neikvæða rafskautsefnið litíummálmur eða engin neikvæð rafskaut. Þetta er heildarástand orkuþéttleika. Jákvæð og neikvæð rafskautsefni í all-solid-state rafhlöðum hafa ekki verið aðskilin frá fljótandi hráefnum. Þess vegna mun orkuþéttleiki rafgeyma í föstu formi ekki vera hærri en fljótandi rafhlöður.

Hið mikla gildi sem allir tala um er í raun byggt á þeirri væntingu að rafhlöður í föstu formi geti notað litíum málm neikvæð rafskaut til að ná háum orkuþéttleika rafhlöðunnar eftir að öryggisvandamálið hefur verið leyst, en þessi vandi er ekki minni en að leysa öryggisvandamál fljótandi litíum málm rafhlöður. Þess vegna er óþolandi að segja að orkuþéttleiki rafgeyma í föstu formi sé lítill. Þvert á móti, frá raunverulegri þróunarstöðu, verður orkuþéttleiki rafgeyma í föstu formi lægri. Sá fyrsti kemur frá notkun háorkukerfisefna, sá annar kemur frá hlutfalli virkra efna, sá þriðji kemur frá þykkt raflausnarhimnunnar og sá fjórði kemur frá vandamálinu að allir borga ekki. mikla athygli um þessar mundir. Rekstur alhliða rafgeyma krefst háþrýstiklemma. Klemman mun auka þyngd rafbúnaðarins við raunverulega notkun og draga þannig úr kostum orkuþéttleika rafhlöðunnar að vissu marki.

Á heildina litið hafa rafhlöður í föstu formi bætt öryggi til muna (það eru raunverulegar prófanir), en sem súlfíð rafhlaða í föstu formi með mjúkum umbúðum er súlfíð sjálft efni með mikla öryggisáhættu. Í öðru lagi er öryggisbót á rafhlöðum í föstu formi einnig takmörkuð. Það er í eðli sínu ekki öruggt. Að vissu marki getur það samt kallað fram hitauppstreymi rafhlöðunnar.

Ofangreint er nokkur tiltölulega þjóðhagslegur skilningur á núverandi solid-state rafhlöðum, þar á meðal all-solid-state og hálf-solid-state. Auðvitað, til lengri tíma litið, er allt fast-ríki enn bjartsýnt. Frá núverandi ástandi eru erfiðleikar við að leysa öryggisvandamál háorku fljótandi rafhlöður ekki endilega lægri en erfiðleikarnir við að þróa nýja kynslóð af háöryggis rafhlöðum í föstu formi. Ég trúi því að með sameiginlegu átaki iðnaðarkeðjanna í andstreymis og aftan við getum við brotið í gegnum óbreytt ástand og gert okkur grein fyrir byltingunni.

Athugið: Flestar greinar sem endurprentaðar eru á þessari síðu eru safnaðar af netinu. Höfundarréttur greinanna tilheyrir upprunalega höfundinum og upprunalegu heimildinni. Skoðanir í greininni eru eingöngu til miðlunar og samskipta. Ef það eru einhver höfundarréttarvandamál, vinsamlegast láttu mig vita og ég mun takast á við það í tíma.