Tamamen katı hal pil teknolojisi ve uygulaması
Bir süre önce, yabancı basında, elektrikli otomobil markası Fisker'in, maksimum 800 kilometre menzile sahip ve şarj olması sadece 1 dakika süren katı hal lityum pil için patent başvurusunda bulunduğu haberi yayınlandı.
Herkes pil ömrü ve hızlı şarj ile ilgili iki büyük sorunu tek seferde çözdü ve çözdü.
FOX TV kanalı da Fisker'in kendisini şovda röportaj yapmaya davet etti. Fisker, bu teknolojiyi Ocak ayında CES'te sergileyeceklerini söyledi.Gerçek seri üretimin, fiyatın lityum pilin yalnızca üçte biri olacağı 2023 olması bekleniyor.
Fisker, 2017 yılının ortalarında, lityum pil kullanan ve 640 kilometre pil ömrüne sahip yeni nesil Emotion modelini piyasaya sürdü. 9 dakikada 200 kilometre yol alabiliyor.
Kısa bir süre önce, 2016'da Fisker ilk olarak Emotion resmi resmini yayınladı ve günbatımında açılan kelebek kapının gövdesinin silueti muhteşem. O zamanlar, 640 kilometre dayanabilen grafen piller kullanmaktan bahsediyordum - tarihte 480 kilometreden uzun ömürlü ilk lüks elektrikli otomobil.
Çünkü o dönemde Tesla'nın Model S 100D'si henüz piyasaya sürülmemişti, 90D'nin pil ömrü 450 kilometreyi buluyordu.
Fisker Duygu
Peki katı hal pil nedir? Tamamen katı hal pil ne tür bir teknolojidir?
Layman'ın terimleriyle, tamamen katı haldeki bir pil, içinde gaz veya sıvının bulunmadığı ve tüm malzemelerin katı biçimde bulunduğu bir pildir.
Ve insanların günlük yaşamındaki en yaygın pilin lityum iyon pil olduğu düşünüldüğünde, tamamen katı hal pilin temsilcisi olarak varsayılan olarak "tamamen katı hal lityum iyon pil" kullanacağız (şimdilik tamamen katı hal lityum sülfür ve diğer yeni pilleri göz ardı edin).
Bu makale ayrıca okuyucular için tamamen katı hal lityum iyon pillerin (bundan böyle tümü "tamamen katı hal piller" olarak anılacaktır) çeşitli yönlerine odaklanacaktır.
Genel olarak konuşursak, bir lityum iyon pil temel olarak bir pozitif elektrot, bir negatif elektrot, bir ayırıcı, bir elektrolit ve yapısal bir kabuktan oluşur Elektrolit, akımın pilin içindeki iyonlar şeklinde iletilmesine izin verir.
Elektrolit teknolojisi, lityum pillerin temel teknolojilerinden biridir ve aynı zamanda mevcut pil endüstrisinin oldukça karlı bir bileşenidir.
Lityum iyon pil yapısının şematik diyagramı
Bunların arasında, iç devrede Li + (lityum iyonu), elektrolit (elektrolit) aracılığıyla iletir.
Bununla birlikte, birçok okuyucu, bazı lityum pillerinin uzun bir süre kullanıldıktan sonra şişeceğini ve hatta bazılarının daha aşırı küçük olasılık olayları altında tehlikeli olabileceğini bulmuş olabilir (bükülmüş bir arabanın son pil patlaması gibi. Üreticiler ve pil şirketleri çok yönlü zorluklarla karşılaştı).
Ek olarak, genel olarak konuşursak, mevcut lityum iyon pilin sınırlı bir çalışma sıcaklığı aralığı vardır ve 40 derecenin üzerindeki yüksek bir sıcaklıkta kullanım ömrü keskin bir şekilde kısalacak ve güvenlik performansında da büyük sorunlar olacaktır (bu nedenle Tesla MODEL S, bir dizi sıkı bataryaya sahip olacaktır. Sıcaklık kontrol sistemi sadece bunun içindir).
Aslında, yukarıda bahsedilen birkaç güvenlik sorunu, pillerimizde kullanılan organik sistemin elektroliti ile doğrudan ilgilidir.
Batarya güvenliği sorununu çözmek ve enerji yoğunluğunu iyileştirmek için araştırma ve endüstri şu anda tamamen katı hal bataryaları geliştiriyor ve üretiyor, yani geleneksel lityum iyon batarya diyaframını ve elektroliti katı elektrolit malzemelerle değiştiriyor.
Öyleyse, hayatımızdaki en yaygın sıradan lityum iyon pillerle karşılaştırıldığında, tamamen katı hal pillerin temel avantajları nelerdir? Öncelikle bilmemiz gereken-
Sıradan lityum iyon pillerin güvenliğini etkileyen ana faktörler nelerdir?
1) Lityum dendritler gibi elektrot malzeme özellikleri, yüksek akım altında çalışırken diyaframı delip kısa devre hasarına neden olacak şekilde ortaya çıkabilir;
2) Elektrolit organik bir sıvıdır ve yüksek sıcaklıklarda yan reaksiyonlar, oksidatif bozunma, gaz oluşumu ve yanma eğilimi artacaktır;
3) Pil kalitesi düzensizdir, özellikle küçük üreticilerin pil güvenlik performansı standart değildir;
4) Pil yönetim sistemi, pilin aşırı şarj olmasına ve boşalmasına neden olarak tehlikeye yol açacak şekilde kalifiye değildir.
(Pilin bir köşesini makasla kestikten sonra, yine de güvenli ve normal şekilde çalışabilen esnek, tamamen katı haldeki bir pil)
Tamamen katı hal pil teknolojisi benimsenirse, yukarıdaki iki sorun 1 ve 2 doğrudan çözülebilir ve ortaya çıkan pilin maksimum çalışma sıcaklığı, mevcut 40 dereceden daha yüksek bir seviyeye yükseltilebilir, böylece pil çalışmaya uyarlanabilir. Sıcaklık aralığı daha geniştir ve uygulama aralığı daha geniş olacaktır.
Güvenlik, aslında tamamen katı hal akülerin geliştirilmesi için en temel itici güçlerden biridir. Katı hal pillerin avantajlarından bahsedelim
Katı hal pillerin avantajları nelerdir?
Avantajlardan biri: ince-küçük boyut
Aslında, hacimsel enerji yoğunluğu bataryalar için çok önemli bir parametredir.Uygulama alanı söz konusu ise, yüksekten düşüğe gereksinim, tüketici elektroniği "elektrikli ev araçları" elektrikli otobüslerdir.
Layman'ın terimleriyle, hacimsel enerji yoğunluğu yüksektir, bu nedenle aynı kalitedeki pil daha küçük yapılabilir.
Elektronik ürünlerdeki kullanılabilir alan genellikle çok sınırlıdır. Birçok ürünün (cep telefonları ve tablet bilgisayarlar gibi) hacminin ve kalitesinin yaklaşık 1 / 3'ü zaten pillerle doludur. Buna ek olarak, çoğu üretici ve tüketici pil kapasitesini daha da artırmayı ( Pil ömrü gereksinimleri altında) ve kompakt boyut (taşınabilir, güzel ve tasarımı kolay), yüksek kompaktlığa ve en yüksek hacimsel enerji yoğunluğuna sahip lityum kobalt oksit (LCO) pil hala ana üründür.
Geleneksel lityum iyon pillerde, birlikte pil hacminin yaklaşık% 40'ını ve kütlesinin% 25'ini oluşturan ayırıcılar ve elektrolitler gereklidir.
Katı elektrolitlerle (çoğunlukla organik ve inorganik seramik malzemeler) değiştirilirlerse, pozitif ve negatif elektrotlar (geleneksel olarak diyafram elektrolit ile doldurulmuş, şimdi katı elektrolit ile doldurulmuş) arasındaki mesafe birkaç kişiye kadar kısaltılabilir. Bir düzine mikrometre, böylece pilin kalınlığı büyük ölçüde azaltılabilir - bu nedenle tüm katı hal pil teknolojisi, pilleri küçültmenin ve ince pillerin tek yoludur.
Sadece bu değil, fiziksel / kimyasal buhar biriktirme (PVD / CVD) ile hazırlanan birçok tamamen katı haldeki pillerin toplam kalınlığı yalnızca onlarca mikron olabilir, bu nedenle çok küçük güç cihazlarına dönüştürülebilir ve MEMS'e (Mikro Elektro Mekanik Sistem) entegre edilebilir. Alan içerisinde.
Çok küçük bir pil yapma yeteneği, aynı zamanda, pilin çeşitli yeni küçük boyutlu akıllı elektronik cihazların uygulamasına uyum sağlamasını kolaylaştırabilen tamamen katı hal pil teknolojisinin önemli bir özelliğidir.Bu noktada, geleneksel lityum iyon pil teknolojisine ulaşmak zordur. nın-nin.
(Şimdi (a) hacim oranı ve (b) lityum iyon pilin her bir bileşeninin kütle oranı)
Şu anda, birçok nanomalzemenin pratik kullanımının önündeki büyük bir engel, geniş özgül yüzey alanı ve düşük hacim yoğunluğunda yatmaktadır Sonuç olarak, bu malzemelerden yapılan ürünler genellikle aynı kütle altında çok fazla hacim kaplamaktadır, yani, hacim enerji yoğunluğu çok düşüktür ve bu tamamen tatmin edici değildir. Endüstriyel ürün gereksinimleri.
Bu nedenle, nano (pil) malzemelerin mevcut araştırmasında bu parametrelerin neden raporlanmadığını anlamak zor değildir.
Avantaj 2: Esneklik olasılığı
Tamamen katı haldeki pil, esnek bir pil haline gelecek şekilde daha da optimize edilebilir, böylece daha fazla işlev ve deneyim getirilebilir.
Aslında, kırılgan seramik malzemeler bile, kalınlık milimetreden daha ince olduktan ve malzeme esnek hale geldikten sonra genellikle bükülebilir.
Buna uygun olarak, tamamen katı haldeki pilin esnekliği, daha ince ve daha hafif olduktan sonra önemli ölçüde geliştirilecektir.Uygun ambalaj malzemeleri (sert bir kabuk değil) kullanılarak, üretilen pil yüzlerce ila binlerce bükülme süresine dayanabilir. Temelde performansta düşüş yok.
Aslında, çeşitli giyilebilir cihazlarla temsil edilen esnek elektronik cihazlar, yeni nesil elektronik ürünlerin geliştirilmesi için önemli bir yöndür ve bu, üründeki bileşenlerin de esnek olmasını gerektirir.Bu nedenle, esnek tamamen katı hal piller bilimsel araştırma ve endüstride kullanılmaktadır. , Çok umut verici bir geleceğin yıldızı.
(Güney Kore'de KAIST tarafından hazırlanan tipik lamine yapıya sahip esnek tamamen katı hal pil)
Sadece bu değil, işlevsel tamamen katı hal pillerin potansiyeli, yukarıdaki esnek pillerden çok daha fazladır.Pil malzeme yapısının optimizasyonundan sonra, şeffaf bir pil veya% 300'e kadar gerdirme aralığına sahip gerilebilir bir pil haline getirilebilir veya fotovoltaik cihazlarla entegre edilebilir. Entegre güç üretimi-depolama cihazları, vb. -Tamamen katı hal piller, işlev açısından birçok yenilikçi uygulama imkanına sahiptir.Bu bağlamda, araştırmacıların ve mühendislerin hayal gücü bize daha fazla sürpriz getirecektir.
(% 300'e kadar gerilme deformasyon derecesine sahip tamamen katı bir pilin yapısının şematik diyagramı)
(Güneş pili ve süper kapasitörün entegre elyaflı cihazının şematik diyagramı)
Üçüncü avantaj: daha güvenli
Bir enerji depolama cihazı olarak, neredeyse tüm piller termodinamik açısından mutlak güvenli olamaz.
Ancak pratik uygulamalarda pillerin gerçek güvenliğini belirleyen birçok faktör vardır.Elektrikli ürünlerde pilin elektrot malzemelerinin özelliklerini, elektrolitin özelliklerini ve pil yönetim sistemini etkileyen faktörler bulunmaktadır.
Şu anda, genel ticari lityum iyonunun güvenliği herkesin endişesinin odak noktasıdır.Burada, mevcut pillerin güvenliğini değerlendirmek için "ideal olmayan" seçeneğini kullanmak daha uygun bir değerlendirme olmalıdır.
Avantaj dört: hafif-yüksek enerji yoğunluğu
Tüm katı elektrolitlerin kullanımından sonra, lityum iyon pillerin uygulanabilir malzeme sistemi de değişecektir. Temel nokta, lityum interkalasyonlu grafit negatif elektrotların kullanılmasının gerekli olmaması, ancak negatif elektrot olarak doğrudan metal lityum kullanılmasıdır, bu da negatif elektrot malzemesini önemli ölçüde azaltabilir Enerji miktarı, tüm pilin enerji yoğunluğunu önemli ölçüde artırabilir.
Ek olarak, birçok yeni yüksek performanslı elektrot malzemesi, mevcut elektrolit sistemleriyle iyi bir uyumluluğa sahip olmayabilir, ancak bu sorun, tüm katı elektrolitler kullanıldıktan sonra bir dereceye kadar hafifletilebilir.
Yukarıdaki iki faktörü göz önünde bulundurarak, tamamen katı haldeki pillerin enerji yoğunluğu, sıradan lityum iyon pillere kıyasla büyük ölçüde iyileştirilebilir: birçok laboratuvar, küçük ölçekli gruplar halinde 300-400Wh enerji yoğunluğu üretmeyi deneyebilmiştir. / kg tüm katı hal pilleri (genellikle lityum iyon piller 100-220 Wh / kg'dır).
Enerji yoğunluğu verilerinden yola çıkarak, belki de tamamen katı haldeki piller gerçekten hayatımızı "günde bir şarjdan" "iki günde bir şarj" a yükseltmeyi umuyor.
Birçok zorluk
Katı hal pillerinin geliştirilmesi şu anda birçok zorlukla karşı karşıyadır Katı hal pillerinin elektrolit malzemelerinin tamamı katı olduğundan ve iletim süreci nokta teması olduğundan, pil üretim sürecinde arabirim empedansına dayalı olarak sorunu çözmek gerekir.
Ek olarak, şarj etme ve boşaltma sırasında tüm piller genişleyip daralacağından, sıvı piller daha büyük toleransa sahiptir, ancak katı hal piller çatlayabilir. Mevcut teknoloji düzeyinde, katı hal piller Dolaşım ekipmanında hala iyileştirme için çok yer var.
Bir sorun: Maliyet hala yüksek, hazırlık süreci karmaşık ve teknoloji yeterince olgun değil
Mevcut tamamen katı hal lityum pil elektrolitleri esas olarak organik ve inorganik sistemleri içerir ve maliyeti genellikle yüksektir.Özellikle, birçok inorganik sistem CVD / PVD gibi karmaşık işlemlerle hazırlanır ve üretim (biriktirilmiş film) hızı yavaş ve maliyet yüksektir. Tek pilin kapasitesi küçüktür ve genellikle yalnızca küçük elektronik cihazların pilleri için uygundur.
(Tipik tamamen katı hal piller, yalnızca küçük elektronik ürünlere güç sağlayabilen yalnızca 1,0 mAh kapasiteye sahiptir)
Sadece bu değil, tamamen katı hal pillerin hazırlama teknolojisinin mevcut olgunluğu genel olarak ortalamadır ve büyük ölçekli üretim kapasitesi oluşturabilen firmalar çok sınırlıdır.Teknolojinin geniş çaplı genişlemesinde hala aşılması gereken pek çok güçlük vardır ve halen tanıtım ve geliştirme sürecindedir.
Problem 2: Hızlı şarj gerçekçi değil
Şu anda, tüm katı hal pillerin hız performansı genellikle düşüktür, iç direnç büyüktür ve yüksek hızlı deşarj sırasında voltaj düşüşü büyüktür Bu tür bir teknolojinin yakın gelecekte hızlı pil şarjı sorununu çözmesini beklemek temelde imkansızdır.
Şu anda, piyasada bulunan ve tamamen katı haldeki pilleri kullanan bazı ürünler aslında oda sıcaklığında çalışmamaktadır.Bunun en tipik örneği, Fransa'da tamamen katı haldeki pilleri kullanan 3.000'den fazla taksidir (pillerin enerji yoğunluğu 260 Wh / kg, mevcut ticari sıradan lityum iyon pillerden daha iyi).
Geçici olarak büyük ölçekte ticarileştirilemiyor
Elektrikli araç aküleri konusunda kıdemli bir uzman olan All-Battery Consulting Başkanı Menaheim Anderman şunları söyledi: Şu anda elektrikli araçlarda kullanılan katı hal pilleri hala araştırma aşamasında ve ticarileştirme takvimi hala belirsiz. Lityum iyon pillerde kullanılan çeşitli kimyasal malzemelerin kullanılması pek olası değil. Fiyatın çok yüksek olması ve seri üretimin de çok zor olması bekleniyor. "
Ayrıca Toyota, katı hal pillerin şarj süresinin lityum pillere göre iki kat daha kısa olduğunu söylese de, katı hal pillerin performansı sıcaklığa son derece duyarlıdır. Başka bir deyişle, katı hal bataryası, sıcaklık biraz daha yüksek olduğunda gerçek bir hızlı şarj etkisi elde etme olasılığı yüksektir.
Bu nedenle, sektördeki pek çok kişi, Toyota'nın katı hal pil paketlerini seri üretmesinin kolay olmadığına inanarak Toyota'nın planına şüpheyle yaklaşıyor.
Bu ifadeler Musk'ın "katı hal pil teknolojisi yolda değil ve hala geliştirme aşamasında" iddiasını doğruluyor gibi görünüyor. Bununla birlikte, Toyota'nın geliştirmeyi taahhüt ettiği katı hal pilinin nereye gideceği hala belirsiz olsa da, Toyota geliştirmesini ve uygulamasını gerçekten teşvik edebilirse, elektrikli araç aküsü endüstrisi, tıpkı Toyota'nın Prius'u bir anda piyasaya sürdüğü gibi, yıkıcı bir değişikliğe yol açacaktır. Hibrit araç pazarının yarısı aynı.
Enterprise'ın katı hal pil düzeni
Tamamen katı hal pil endüstrisine yatırım yapan birçok yeni şirket ve geleneksel endüstriyel dev var.
Pil endüstrisindeki Toyota, Panasonic, Samsung, Mitsubishi ve Çin'in CATL gibi önde gelen şirketleri, katı hal pil rezervi araştırma ve geliştirmesini aktif olarak uygulamaya koydu.
Nispeten daha yüksek teknolojik olgunluğa ve daha derin teknolojik yağışa sahip şirketler Fransız Bolloré, Amerikan Sakti3 ve Japon Toyota'dır. Bu üç şirket aynı zamanda polimerlerin, oksitlerin ve sülfürlerin üç katı elektrolitinin tipik teknoloji geliştirme yönlerini temsil ediyor.
Avrupa'da daha ünlü olan Bolloré, polimer elektrolit sistemi kullanırken, Samsung sülfür elektrolit sistemi kullanıyor. 2015 yılında İngiliz milyarder James Dyson (James Dyson) şirket katı hal pil şirketi Sakti3'ü satın aldı, Ağustos 2016'da Dyson, bir pil fabrikası kurmak için 1,4 milyar ABD doları yatırım yapacağını söyledi. Alman otomobil parçaları devi Bosch (BOSCH), 2015 yılında Amerikan akü şirketi "Seeo" yu satın aldı. Bosch ve Seeo daha sonra Japonya'nın ünlü GS YUASA pil şirketi ve Mitsubishi Heavy Industries ile katı hal anot lityum iyon pillere odaklanmak için yeni bir fabrika kurdu.
17 Aralık 2016'da Ningde Times Ar-Ge Müdürü Guo Yongsheng, "Yedinci Küresel Yeni Enerji Araç Konferansında (GNEV7)" şirketin katı hal lityum metal pil araştırma ve geliştirme sürecini tanıttı. Katı hal pilleri yapan şirketler araştırma yaptı ve proje hala erken aşamalarında.
Ningde dönemi, araştırma ve geliştirme sürecinde katı hal pillerin üretimine de dikkat ediyor. Katı hal pillerin tüm üretim süreci, geleneksel lityum iyon üretim sürecinden farklıdır ve yeni ekipman ve yeni süreçler gerektirir. Bu nedenle, Ningde dönemi aynı zamanda süreç araştırma ve geliştirme de yürütür.
Genel olarak, tamamen katı hal piller, pil araştırma ve endüstri çevreleri tarafından tanınan pil geliştirmenin ana akım yönlerinden biridir.Satılık yoktur, ancak katı elektrolitlerin iletkenliği, pil hızı, pil hazırlama verimliliği ve maliyet kontrolü, tamamen katı hal piller Pilin hala gidecek bir yolu var.
Kaynak: Leifeng.com
