Tamamen katı hal pilleri ve bunların avantajlarını ve dezavantajlarını analiz edin
Tamamen katı hal pillerin beş özelliği
Yüksek güvenlik:
Sıvı pillerin güvenlik sorunları her zaman eleştiriliyor. Elektrolit, yüksek sıcaklıklar veya şiddetli darbeler altında kolaylıkla yanıcıdır. Yüksek akımlar altında lityum dendritlerin de ayırıcıyı deldiği ve kısa devreye neden olduğu görülecektir. Bazen elektrolit yan reaksiyonlara girebilir veya yüksek sıcaklıklarda ayrışabilir. Sıvı elektrolitlerin termal stabilitesi yalnızca 100 dereceye kadar korunabilirken, oksit katı elektrolitler 800 dereceye, sülfürler ve halojenürler de 400 dereceye ulaşabilir. Katı oksitler sıvılara göre daha stabildir ve katı formları nedeniyle darbe dayanımları sıvılara göre çok daha yüksektir. Bu nedenle katı hal piller insanların güvenlik ihtiyaçlarını karşılayabilir.
Yüksek enerji yoğunluğu:
Şu anda katı hal piller sıvı pillerin enerji yoğunluğunu aşan bir enerji yoğunluğuna ulaşamamıştır ancak teorik olarak katı hal piller çok yüksek enerji yoğunluğuna ulaşabilmektedir. Katı hal pillerin sıvı piller gibi sızıntıyı önlemek için sıvıya sarılmasına gerek yoktur. Bu nedenle, gereksiz kabuklar, sarma filmleri, ısı dağıtma malzemeleri vb. ortadan kaldırılabilir ve enerji yoğunluğu büyük ölçüde geliştirilebilir.
Yüksek güç:
Sıvı pillerdeki lityum iyonları iletim yoluyla taşınırken, katı hal pillerdeki lityum iyonları daha hızlı ve daha yüksek şarj ve deşarj oranına sahip olan atlama iletimiyle taşınır. Hızlı şarj, sıvı pil teknolojisinde her zaman bir zorluk olmuştur çünkü şarj hızı çok hızlı olursa lityum çökelecektir, ancak bu sorun tamamen katı hal pillerde mevcut değildir.
Düşük sıcaklık performansı:
Sıvı piller genel olarak -10 dereceden 45 dereceye kadar stabil çalışır ancak kışın seyir menzilleri ciddi oranda düşer. Katı elektrolitlerin çalışma sıcaklığı -30 derece ila 100 derece arasındadır, dolayısıyla aşırı soğuk alanlar dışında pil ömründe herhangi bir azalma olmaz ve karmaşık bir termal yönetim sistemine gerek kalmaz.
Uzun ömür:
Sıvı piller arasında, üçlü pillerin ortalama ömrü 500-1000 döngüdür ve lityum demir fosfatın ömrü 2000 döngüye ulaşabilir. Tamamen katı hal ince film gelecekte 45,000 döngüye ulaşabilir ve laboratuvardaki 5C'nin ömrü 10.000 kata ulaşabilir. Aynı enerji yoğunluğunun üretim maliyeti birbirine yakınlaştırıldığında, katı hal pillerinin maliyet etkinliği benzersizdir.
4 katı inorganik elektrolitin karşılaştırılması
Katı elektrolitlerin malzeme türleri dört kategoriye ayrılabilir: oksitler, sülfitler, polimerler ve halojenürler. Bu dört tip elektrolitin her biri, Ar-Ge, üretim ve sanayileşmenin zorluğunu ve gelecekteki pazar konumunu belirleyen farklı fiziksel ve kimyasal özelliklere sahiptir.
Oksit Elektrolitler:
Avantajları:İyonik iletkenlik ortadadır ve en iyi elektrokimyasal stabiliteye, mekanik stabiliteye ve termal stabiliteye sahiptir. Yüksek voltajlı katot malzemelerine ve metal lityum anotlara uyarlanabilir. Mükemmel elektronik iletkenlik ve iyon seçiciliği. Aynı zamanda ekipman devamlılığının derecesi ve üretim maliyeti de büyük avantajlara sahiptir. Kapsamlı yetenek en kapsamlı olanıdır.
Dezavantajları:İndirgenme stabilitesi biraz düşüktür, kırılgandır ve çatlaklara neden olabilir.
Oksit elektrolitler yüksek mekanik dayanıma, iyi termal ve hava stabilitesine ve geniş elektrokimyasal pencerelere sahiptir. Oksit elektrolitleri kristal ve amorf hallere ayrılabilir. Yaygın kristal oksit elektrolitler arasında perovskit tipi, LISICON tipi, NASICON tipi ve garnet tipi bulunur. Oksit elektrolitler yüksek gerilimlere dayanabilir, yüksek ayrışma sıcaklıklarına sahip olabilir ve iyi mekanik dayanıma sahiptir. Ancak oda sıcaklığında iyonik iletkenliği düşüktür (<10-4 S/cm), it has poor contact with the solid-solid interface of the positive and negative electrodes, and it is usually thick (>200μm), bu da pilin hacimsel enerji yoğunluğunu büyük ölçüde azaltır. Element katkısı ve tane sınırı modifikasyonu yoluyla, oksit elektrolitlerin oda sıcaklığı iletkenliği 10-3 S/cm mertebesine kadar arttırılabilir. Kristal hacminin kontrol edilmesi ve polimer kaplamaların eklenmesi, oksit elektrolit ile pozitif ve negatif elektrotlar arasındaki arayüzey temasını geliştirebilir. Çözelti/bulamaç kaplama yöntemleri, ultra ince katı elektrolit membranlar üretebilir.
Sülfür elektroliti:
Avantajları:en yüksek iyon iletkenliği, küçük tane sınırı direnci, iyi süneklik ve iyi iyon seçiciliği.
Dezavantajları:zayıf kimyasal stabilite, lityum metali ile reaksiyona girer ve nemli hava ile kolayca reaksiyona girer. Maliyeti daha yüksek ve mekanik özellikleri zayıftır. Şu anda üretimin hâlâ torpido gözünde gerçekleştirilmesi gerekiyor, bu da büyük ölçekte seri üretim yapılmasını zorlaştırıyor.
Sülfür elektrolitleri oda sıcaklığında yüksek iletkenliğe ve iyi sünekliğe sahiptir ve katkılama ve kaplama yoluyla stabiliteleri geliştirilebilir. Sülfür elektrolitleri şu anda üç ana biçimde mevcuttur: cam, cam seramik ve kristaller. Sülfür elektrolitleri, sıvı elektrolitlere yakın olabilen yüksek oda sıcaklığı iletkenliğine (10-4-10-2 S/cm), orta sertliğe, iyi arayüz fiziksel temasına ve iyi mekanik özelliklere sahiptir. Katı hal pilleri için önemli aday malzemelerdir. Bununla birlikte, sülfür elektrolitleri dar bir elektrokimyasal pencereye, pozitif ve negatif elektrotlarla zayıf arayüz stabilitesine sahiptir ve neme karşı çok hassastır. Havadaki eser miktardaki suyla reaksiyona girerek zehirli hidrojen sülfür gazı açığa çıkarabilir. Üretim, taşıma ve işleme çok yüksek çevresel gereksinimlere sahiptir. Katkılama ve kaplama gibi modifikasyon yöntemleri, sülfit ile pozitif ve negatif elektrotlar arasındaki arayüzü stabilize ederek bunları çeşitli pozitif ve negatif elektrot malzemeleri için uygun hale getirebilir ve hatta lityum-sülfür pillerde bile kullanılabilir.
Sülfit elektrolit pillerin hazırlanması yüksek çevresel gereksinimlere sahiptir. Sülfür elektrolitleri yüksek iletkenliğe sahip olup nispeten yumuşaktır ve kaplama yöntemleriyle üretilebilir. Üretim süreci, mevcut sıvı pil üretim sürecinden çok farklı değildir, ancak pilin arayüz temasını iyileştirmek için genellikle kaplamadan sonra birden fazla sıcak presleme yapılması ve arayüz temasını iyileştirmek için bir tampon katmanı eklenmesi gerekir. Sülfür elektrolitleri neme karşı çok hassastır ve havadaki eser miktardaki suyla reaksiyona girerek toksik gaz hidrojen sülfür üretebilir, dolayısıyla pil üretimi için çevresel gereksinimler çok yüksektir.
Polimer elektrolit:
Avantajları:iyi güvenlik, esneklik, arayüz teması ve film oluşturulması kolay.
Dezavantajları:İyonik iletkenlik oda sıcaklığında çok düşüktür ve termal kararlılık zayıftır.
Esnektir ve işlenmesi kolaydır ve iletkenliği çapraz bağlama, harmanlama, aşılama ve plastikleştiricilerin eklenmesi yoluyla geliştirilebilir. Polimer elektrolitlerde kullanılan ana polimer substratlar arasında PEO, PAN, PVDF, PA, PEC, PPC vb. yer alır. Kullanılan ana lityum tuzları arasında LiPF6, LiFSI, LiTFSI vb. bulunur. Polimer elektrolitlerin hazırlanması kolaydır, iyi esnekliğe ve işlenebilirliğe sahiptir, esnek elektronik ürünlerde veya alışılmamış şekillere sahip pillerde kullanılabilir. Pozitif ve negatif elektrotlarla iyi bir fiziksel teması vardır ve süreç, mevcut lityum pillerinkine nispeten yakındır. Mevcut ekipmanların dönüştürülmesi yoluyla akülerin seri üretiminde rahatlıkla kullanılabilir. Ancak polimer elektrolitlerin oda sıcaklığında iyonik iletkenliği genellikle çok düşüktür (<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.
Halid elektrolit:
Avantajları:Düşük elektronik direnç, yüksek iyon seçiciliği, yüksek indirgeme kararlılığı ve kırılması kolay değildir.
Dezavantajları:Henüz laboratuvar aşamasındadır, kimyasal stabilitesi ve oksidatif stabilitesi zayıftır ve iyon direnci yüksektir.
Halojenürlerin ve polimerlerin belirgin avantaj ve dezavantajları nedeniyle, katı hal pillerine yönelik gelecekteki küresel rekabet esas olarak oksitler ve sülfürler üzerinde yoğunlaşacak. Aslında kimyasal stabilitesinin zayıf olması nedeniyle sülfür elektrolitler için seçilebilecek malzeme türleri çok dardır ancak uygun malzemeler ve proses atılımları bulunduğu sürece bu eksiklik telafi edilebilir.
Bununla birlikte, sanayileşme perspektifinden bakıldığında, karmaşık süreçler daha yüksek maliyetlere ve ölçek tavanına yol açacaktır, bu nedenle oksit katı elektrolitler şu anda katı hal pillerinin geliştirilmesinde ana akımdır. Sıvı pillerden katı hal pillere kadar yarı katı pil aşaması olacaktır ve bu aşamada en uygun olanı oksit yoludur. Bunun nedeni kapsamlı performansı ve maliyet avantajlarıdır. Yarı katı hal piller, katı hal pillerin avantajlarından ve maliyet etkinliğinden giderek yararlanarak mevcut sıvı pillerin yerini daha hızlı bir şekilde alabilir.
Teknolojinin ilerlemesiyle birlikte gelecekte dünyaya oksitlerin mi yoksa sülfitlerin mi hakim olacağı henüz belli değil. Katı hal pil teknolojisinin özü, katı hal elektrolitlerinin araştırılması ve geliştirilmesidir. Mevcut katı elektrolit malzemeler büyük ilerleme kaydetmesine rağmen hala zayıf iletkenlik, geniş arayüz direnci ve yüksek hazırlık maliyetleri gibi sorunlarla karşı karşıyadır. Katı elektrolitlerin iletkenliğini ve stabilitesini geliştirmek için sürekli temel araştırmalara ve teknolojik atılımlara ihtiyaç vardır.
