CES katı hal pilleri memnuniyetle karşılıyor Elektrikli araçların geleceğinde BUG olacaklar mı?
Birkaç gün önce Las Vegas'ta düzenlenen 2018 CES (Uluslararası Tüketici Elektroniği Şovu) gözlerimizi kazandı.Elbette, mekanlarda ani elektrik kesintileri nedeniyle değil ... çok sayıda ilginç yeni teknoloji piyasaya sürüldüğü için. Bunların arasında dikkat etmesi gereken bir araba şirketi var, Fisker, yeni bir elektrikli spor otomobil Emotion getirirken, esnek katı hal batarya malzemeleri de tanıttı.Bu şeyde bu kadar güçlü olan, bakalım Fisker ne dedi.
Kısa bir süre önce Fisker, sahip olacakları katı hal pilin patent başvurusunda bulunduğunu duyurdu.Enerji yoğunluğu, geleneksel lityum pillerin 2,5 katı. Seyir menzili 600 kilometreyi, en yüksek hız saatte 250 kilometreyi, 9 dakikada 160 kilometreyi kurtarabilir. Pil ömrü. Fisker Emotion üzerine monte edilen grafen katı hal bataryası, elektrikli araç pazarını bir dizi rakamla şok etti. Bu sefer katı hal bataryalarından bahsedelim. Bu, gelecekte hata seviyesinde bir teknoloji mi?
Katı hal pilleri anlamak için öncelikle çevremizde yaygın olarak kullanılan sıvı elektrolit lityum pillerin nasıl çalıştığını bilmelisiniz. Çok basit, endüstri buna "sallanan koltuk bataryası" diyor. Sallanan sandalyenin iki ucu bataryanın pozitif ve negatif elektrotları olarak kabul edilebilir ve orta kısım sıvı elektrolittir. Lityum-iyon, okulda fizik muayeneye giren bizler gibidir Test her iki uçta yapılır Pozitif-negatif-pozitif, tamamlanmış bir şarj etme ve boşaltma işlemidir. Bu nedenle, katı hal piller ile geleneksel lityum piller arasındaki en belirgin fark, birincisinde kullanılan elektrolitin katı hal yapısı olmasıdır.
Sıvı lityum piller hakkında bilgi sahibi olmamıza rağmen, katı hal pilleri keşfetmemiz yeterli değil, lityum piller için hangi malzemelerin kullanıldığını da bilmemiz gerekiyor?
Genel olarak konuşursak, lityum iyon piller ister ilk nikel-hidrojen pil, ister lityum manganez oksit pil, daha sonra lityum demir fosfat pil veya iyi bilinen üçlü lityum pil olsun, pozitif elektrotlar, negatif elektrotlar, ayırıcılar, elektrolitler vb. Nikel-kobalt-manganez ve nikel-kobalt-alüminyum), kimya derslerinde görülen bu kimyasal terimler aslında bataryaların katot malzemeleridir ve bataryanın kapasite yoğunluğu üzerinde en büyük etkiye sahip olanıdır. Negatif elektrot malzemesine gelince, grafit şu anda en yaygın kullanılanıdır.
Hepimizin bildiği gibi, lityum demir fosfat pillerin enerji yoğunluğu açısından iyileştirme alanı çok sınırlıdır.Enerji yoğunluğu artırılmadan elektrikli araçların seyir menzili artırılamaz. Sonuç olarak, güç pil üreticileri, lityum demir fosfat pillerden, dahili malzemelerin oranını ayarlamak, grafit anot malzemelerini yeni malzemelerle değiştirmek ve diyafram performansını iyileştirmek gibi üçlü lityum pillere tamamen yükseltmeye başladılar. Ancak uzun vadede bu yöntemlerin üçlü lityum pillerin enerji yoğunluğunu 300 Wh / kg üzerine çıkarması zordur, yapabilseler bile kısa vadede laboratuvar aşamasında kalacaktır.
Peki, sektörde genel olarak fark edilen Ar-Ge darboğazı ortaya çıktıktan sonra, gelecekteki hedeflere ulaşmak için tavanı nasıl delmeliyiz? (2020'de 350 Wh / kg, 2025'te 400 Wh / kg, 2030'da 500 Wh / kg), şimdi katı hal pillerin sırası!
Çalışma prensibi açısından, katı hal piller ile geleneksel elektrolit lityum piller arasında belirgin bir fark yoktur ve avantajlarının anlaşılması kolaydır.Lityum iyon pillerin geliştirilmesi için iki önemli yöndür: 1. Daha yüksek enerji yoğunluğu, 2. Daha güvenli çalışma .
Her şeyden önce, katı hal piller kendi yapısal özelliklerinden dolayı bir uçta daha fazla yüklü iyonun toplanmasına izin verebilirler.Avantajı, daha fazla akım iletebilmeleri ve pil kapasitesinin buna göre artmasıdır. Maddi açıdan anlamak daha sezgiseldir Katı elektrolitler kullanan lityum piller nihayet grafit materyallerin zincirlerinden kurtulabilir ve negatif elektrot olarak metalik lityum kullanabilir. Görünüşte basit olan bu değişiklik, kullanılan negatif elektrot malzemelerinin miktarını büyük ölçüde azaltır ve bu da pil kapasitesi yoğunluğunu önemli ölçüde artırır. Bir lityum pil çok büyük ama ayırıcı ve elektrolit kütlenin yaklaşık% 70'ini kaplıyor, bu ne anlama geliyor? Bu, her gün yolda çalışan araçlar gibi arabaların daha ağır ve daha ağır akü paketleri taşıması gerektiği ve seyir menzilinin yukarı doğru eğiminin yalnızca sonunda seviyesine geri döneceği anlamına gelir. Bununla birlikte, sıvı elektrolit katı bir yapı ile değiştirilirse, pozitif ve negatif elektrotlar arasındaki mesafe, yalnızca birkaç ila on mikron arasında bile büyük ölçüde azalacak ve bu da tüm pil sisteminin kapasite yoğunluğunu büyük ölçüde artıracaktır. Mevcut test verilerinden yola çıkarak, 300-400Wh / kg enerji yoğunluğuna sahip tamamen katı haldeki batarya artık bir sorun değil Bazı insanlar, gelecekte 900Wh / kg'a ulaşmanın imkansız olmadığını tahmin ediyor.
Enerji yoğunluğunun yükseltilmesine ek olarak, katı hal pilleri daha fazla güvenlik özelliğine sahiptir. Katı elektrolitin kendisi yanmaz, aşındırıcı değildir, uçucu değildir ve sıvı elektrolit sızıntısı problemi yoktur. Ayrıca pozitif ve negatif elektrotları ayırmak için bir ayırıcıya ihtiyaç olmadığından, lityum dendritler ayırıcıyı delmeyecek ve kısa devreye neden olmayacaktır. Bu nedenle, katı hal piller, sıvı elektrolit lityum pillerden daha yaygın olarak kullanılan daha yüksek sıcaklıklarda (uzun süre 60-120 ° C'de), daha yüksek akımlarda ve daha yüksek voltajlarda çalışabilir.
Hiç kimse mükemmel değildir ve hiçbir şey mükemmel olamaz. Teknik engelleri olmayan bu tür HATA benzeri elektrolit yapı değil mi? Cevap hayır olmalı! Elektrolit katı olduğundan ve büyük bir iç dirence sahip olduğundan, iletkenliği oda sıcaklığında sıvı elektrolitinkinden çok daha düşüktür. Elbette, tüm katı hal lityum piller bu sorunu çözemez, ancak öneri, kapasite yoğunluğundan ödün vermektir, bu da balık ve ayının pençesinin ikisine birden sahip olamayacağı bir durum yaratır. Son olarak, daha önemli bir sorun var: maliyet Sektördeki uzmanlara göre, tüm katı elektrolitlerin maliyeti çok pahalıdır, bu nedenle seri üretim zor olacaktır.
Küresel bir pazar olduğu söylenmesinin nedeni, katı hal pil teknolojisinin büyük ilgili firmaların önemli bir araştırma ve geliştirme yönü haline geldiği anlamına geliyor.Önce yurtdışı pazarlardan bahsedelim.
Lityum pillerin babası olarak bilinen John Goodenough, lityum pillerin kurucularından biri olarak araştırma ve geliştirmeyi katı hal pillere çevirdi ve tüm katı hal pil araştırma ve geliştirme çemberinin onayı oldu. Austin Cockrell Mühendislik Okulu'ndaki Texas Üniversitesi'nde kıdemli bir araştırmacı olan Maria Helena Braga ile ilk katı hal pilini yaratmak için işbirliği yaptı. "Maliyet, güvenlik, enerji depolama yoğunluğu, şarj ve deşarj oranı ve çevrim ömrü çok çeşitli pil uygulamaları için kritik önem taşıyor. Bulgularımızın günümüz pillerinin birçok doğal sorununu çözdüğüne inanıyoruz." Gudinaf bunu açıkça hissetti. Çok heyecanlı.
Üç katı polimer, oksit ve sülfit elektroliti, katı hal pilleri için en önemli geliştirme yönleridir; Fransa'da Bolloré, ABD'de Sakti3 ve Japonya'da Toyota bunlardan birine odaklanır. Ünlü elektrikli süpürge markası Dyson, 2015 yılında Sakti3'ü satın aldı ve 2016'da bir pil fabrikası kurmak için 1,4 milyar ABD doları yatırım yapacağını duyurdu. Alman otomobil parçası devi Bosch, bu verimli zeminden gelecek için vazgeçmedi. 2015 yılında Amerikan akü şirketi Seeo'yu satın aldı ve ardından ünlü Japon GS YUASA akü şirketi ve Mitsubishi Heavy Industries ile katı hal lityum iyon akülere odaklanmak için yeni bir fabrika kurdu. Ar-Ge.
Mitsui Metals, geçen yıl Kasım ayında, bir sülfür katı elektrolit kullanan ve 2020'de resmi olarak seri üretmeyi planlayan yeni nesil lityum iyon ikincil pil "tamamen katı hal pil" i piyasaya sürdü. Bu bağlamda, yeni pilin piyasaya sürülmesinden sonra, Mitsui Metal'in otomobil şirketi müşterileri, Toyota ve Honda'nın yeni enerji aracı işini güçlü bir şekilde genişletmek için buna güveneceğini söyledi.
2017'ye dönersek, bu yıl katı hal pil çemberinde çok hareketli bir yıl ... Hitachi, katı hal pil teknolojisinin geliştirildiğini duyurdu. Hitachi Zomori Başkanı Takashi Tanisho, "Şirket artık mevcut lityum iyon pillerle aynı performansa sahip katı hal piller sağlayabilir ve bu da sıcaklık değişikliklerini daha iyi idare edebilir ve daha uzun bir döngü ömrüne sahip olabilir." Havacılık ve otomotiv endüstrilerindeki potansiyel müşterilere. "
Geçen yıl Ekim ayında, Toyota Motor Corporation'ın başkan yardımcısı Didier Leroy, 2025 yılına kadar elektrikli araçların menzilini önemli ölçüde artırabilecek yeni nesil pil "katı hal pilleri" piyasaya süreceğini duyurdu. Toyota'nın geliştirmeye 200'den fazla kişiye yatırım yaptığını söyleyen O, Toyota'nın katı hal pilleri üzerindeki patentinin dünyada ilk olduğunu vurguladı. Geçen yılın sonunda BMW, ticari elektrikli araçlar için katı hal pilleri araştırma ve geliştirme faaliyetlerini yürütmek olan pil teknolojisi şirketi SolidPower ile yeni bir ortaklık kurduğunu duyurdu.
Çin'e geri dönelim. Yazmadan önce, Ningde döneminden sorumlu ilgili kişiyle katı hal pil teknolojisi konusunda kasıtlı olarak iletişim kurdum. "Katı hal pilleri, tüm endüstrinin gelecek için fikir birliğidir. Ningde dönemi de derinlemesine araştırmaya sahiptir ve şimdiden başvurmuştur. Pek çok ilgili patent. Aslında, 2 Kasım 2017'de CATL tarafından imzalanan prospektüsü okuduktan sonra, yeni nesil pil araştırma ve geliştirme odağının, katı elektrolit membranlar ve lityum iyon piller dahil olmak üzere tamamen katı hal lityum piller üzerinde olduğunu gördük. Lityum iyon piller için katı elektrolit malzemeleri içeren bir dizi patent. Tabii ki, yerli Ar-Ge ekibi Ningde dönemiyle sınırlı değil. Qingdao Biyoenerji Enstitüsü ve Çin Bilimler Akademisi Süreci, yüksek enerji yoğunluklu katı hal pilleri araştırmalarında da ilerleme kaydetti. 15 Ocak'ta geliştirdikleri katı hal lityum pil, Çin Bilimler Akademisi Derin Deniz Enstitüsü'nü takip etti. Dalgıç, denize açıldı ve tam deniz derinliğinde bir gösteri uygulaması için Mariana Çukuru'na gitti. Yerli katı hal batarya araştırma ve geliştirme ölçeğinin ve gücünün de hızlandığını görmek zor değil. Tabii ki bundan çok daha fazlası var, gelecekte daha fazlası olacak. .
Sonunda yazılı:
Katı hal pillerin bu tür sorunları ve engelleri olsa da, gelecekte lityum pil araştırma ve geliştirmenin hala en önemli yönü oldukları ve kimse olmadığı yadsınamaz. Tabii ki, belki de yakın gelecekte, aralarından seçim yapabileceğimiz daha güçlü lityum-hava pillerimiz olacak ve yeni enerji sadece bir tür elektrikli sürücü değil. Bugün, yeni enerjinin biraz radikalleşmiş gelişimi üzerine, Ningde döneminden sorumlu kişiden bir söz ödünç alırsak, yeni enerji araçlarının seyir aralığı önemlidir, ancak güvenlik en önemli şeydir. Her zaman balık ve ayının pençelerinin ikisine birden sahip olmanın imkansız olmadığına inanıyorum, ancak ikisine birden sahip olmanın en iyi yolunu bulamadım.
(Fotoğraf / Metin Zhang Yipeng)
