Í núverandi bylgju kröftugrar þróunar nýrrar orkutækni hefur rafhlaðan í föstu ástandi, sem mjög efnileg næstu kynslóð rafhlöðutækni, vakið mikla athygli frá öllum lífstíðum. Þar sem kröfur fólks um þrek rafeindatækja og aksturssvið rafknúinna ökutækja halda áfram að aukast og áhersla þeirra á öryggisafköst rafhlöðunnar vex dag frá degi, er mjög gert ráð fyrir að rafhlaða í fastri ástandi taki marga sársaukapunkta af hefðbundnum fljótandi litíumjónarafhlöðum hvað varðar öryggi og svið. Áður en stórfelld vinsæld og notkun þess er, heldur lykilspurning í huga neytenda: er rafhlaða rafhlöðu örugg og fær um að veita langt svið? Til að svara þessari spurningu verðum við að kafa í vinnubúnaðinum, tæknilegum eiginleikum og núverandi rannsóknum og notkunarstöðu rafhlöður í föstu ástandi.
Vinnandi meginregla og skipulagseinkenni rafhlöðu fastra staða
Kjarnamunurinn á rafhlöðu fastra sessi og hefðbundinnar fljótandi litíumjónarafhlöðu liggur í formi salta. Hefðbundnar fljótandi litíumjónarafhlöður nota fljótandi raflausn til að ná hleðslu- og losunarferlinu með hreyfingu litíumjóna milli jákvæðra og neikvæðra rafskauta. Aftur á móti nota rafhlöður fastra serfa solid salta, sem venjulega er úr keramik, fjölliða eða súlfíðefni. Í rafhlöðum í föstu ástandi eru litíumjónir einnig deintercalat frá jákvæða rafskautinu við hleðslu og fléttast saman í neikvæða rafskautið í gegnum fast salta; Við losun fara þeir í gagnstæða átt, á meðan rafeindir renna frá neikvæðu rafskautinu yfir í jákvæða rafskautið í gegnum ytri hringrásina og mynda straum til að knýja tækið.
Notkun fastra raflausnar veitir rafhlöðum með föstu ástandi með einstökum burðareinkennum. Í samanburði við fljótandi raflausn, sem krefst aðskilnaðar til að koma í veg fyrir skammhlaup milli jákvæðra og neikvæðra rafskauta, hefur fast salta sjálft tvöfalda aðgerðir jónaleiðni og einangrunar rafskauts, sem gerir rafhlöðuna meira samningur. Á sama tíma sýnir solid raflausn meiri stöðugleika og er minna tilhneigingu til sveiflna og leka og leggur grunn fyrir bætta öryggisafköst rafhlöðunnar.
Öryggisafköst rafhlöðu í föstu ástandi
Hefðbundnar fljótandi litíumjónarafhlöður eru hættu á hitauppstreymi við háhitaaðstæður. Þegar hitastig rafhlöðunnar fer yfir ákveðinn þröskuld, svo sem 80 gráðu, getur fljótandi salta brotnað niður til að framleiða eldfim lofttegund og aukaverkanir innan rafhlöðunnar aukast, sem leiðir til þess að hröð uppsöfnun hita og að lokum veldur því að rafhlaðan nái eldi eða jafnvel springur. Gögn frá þýsku Tüv prófunarstofnuninni sýna greinilega þessa huldu hættu.
Rafhlöður í föstu ástandi sýna verulegan kosti í hitastöðugleika. Vegna fjarveru sveiflukenndra og eldfims vökva í fastri salta, er hitauppstreymi þess mun hærri en fljótandi salta. Stunguprófið sem framkvæmt er af nýju orku- og iðnaðartækniþróunarsamtökunum (NEDO) í Japan er áhrifamikil: Þegar stál nál stungur á rafhlöðu rafhlöðu, hækkar rafhlöðuhitinn aðeins um 2 gráðu, en hefðbundin fljótandi litíumjónarafhlaða mun ná eldi og springa á aðeins 3 sekúndum. Þessi tilraunaniðurstaða sýnir sjónrænt yfirburði öryggis rafhlöður í föstu ástandi í ljósi mikillar vélrænnar misnotkunar.
Í pappír sem heitir „Eru rafhlöður í föstu ástandi öruggari en (fljótandi) litíumjónarafhlöður?“ Birt í vísindum í apríl 2022 ræddu vísindamenn um losun hitastigs og hitastig hækkunar á fljótandi litíumjónarafhlöðum, hálf-fastar rafhlöður með ákveðnu magni af salta og allt fastar rafhlöður undir þremur hitauppstreymi. Rannsóknin kom í ljós að í hitauppstreymisástandi sem stafar af utanaðkomandi upphitun, eru allt fastar rafhlöður betri en hálf fast og fljótandi litíumjónarafhlöður. Mikill þéttleiki fastra raflausnar í rafhlöðum sem eru fullur fastir geta myndað árangursríka gashindrun og komið í veg fyrir snertingu milli litíums á neikvæðu rafskautinu og súrefni sem losnar úr jákvæða rafskautinu. Í þessari tilgátu atburðarás væri engin marktæk losun hita.
Hömlun á litíumvöxt
Við hleðslu- og losunarferlið hefðbundinna vökva litíumjónarafhlöður geta litíumjónir beint kristallað á yfirborði neikvæðu rafskautsins við hraðhleðslu og myndað hættulega litíum dendrites. Vöxtur litíum dendrites leiðir ekki aðeins til rotnunar rafhlöðunnar heldur getur það einnig stungið aðskilnaðinn, valdið skammhlaupi milli jákvæðra og neikvæðra rafskauta og kallar fram öryggisatvik. Verkfræðingar frá Catl, sem var huldu hættu, kom í ljós.
Rafhlöður í föstu ástandi sýna möguleika á að hindra litíum dendrite vöxt. Sérstök uppbygging og eiginleikar fastra raflausnar geta veitt jafna leið fyrir litíumjónarflutninga og dregið úr möguleikanum á myndun litíums. Þrátt fyrir að algjörlega útrýming litíumvöxtur sé enn áskoranir í hagnýtum forritum, er framför þróun rafhlöður í föstu ástandi í þessum efnum áberandi miðað við fljótandi litíumjónarafhlöður.
Hugsanleg öryggisáhætta
Þrátt fyrir marga kosti rafhlöður í föstu ástandi hvað varðar öryggi, eru þær ekki alveg öruggar. Í vissum tilvikum, svo sem þegar fast raflausn mistakast eða litíum dendrites komast inn í föstu raflausnina, sem veldur skammhlaupi, er öryggi alls fastra rafhlöður og hálf-fastar rafhlöður ekki betri en fljótandi litíum-jón rafhlöður. Prófessor AI Xinping frá School of Chemistry and Molecular Sciences við Wuhan háskólann bendir á að fullyrðingin um að rafhlöður í öllum fastum ástandi hafi bæði mikla orkuþéttleika og gott öryggi feli í raun í sér hugmyndafræðilega hand. Vegna þess að sum efni í rafhlöðum í föstu ástandi geta framleitt eitruð lofttegundir eins og brennisteinsvetni ef slys verður, þó að þau muni ekki brenna fólk eins og hefðbundnar rafhlöður, þá er brennisteinsvetni eitrað og getur valdið mannslíkamanum alvarlegan skaða.
Möguleiki á rafhlöðu í föstu formi á bilinu
Fræðilega séð hafa rafhlöður í föstu ástandi möguleika á að ná miklum orkuþéttleika, sem búist er við að muni auka þrek tækjanna verulega. Solid raflausn gerir kleift að nota hreint málm litíum sem neikvæða rafskautið, sem eykur verulega orkugeymslugetu á rúmmál einingar. Tilraunagögn frá Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology of the Chinese Academy of Sciences sýna að orkuþéttleiki rafhlöðusýni þeirra hefur farið yfir 500Wh\/kg, en orkuþéttleiki 21700 rafhlöðu sem notaður er í Tesla Model 3 er aðeins 260Wh\/kg.
Að taka rafknúin ökutæki sem dæmi hefur aksturssvið alltaf verið í brennidepli í athygli neytenda. Kunpeng rafhlaðan frá Chery, sem fulltrúi rafhlöður í föstu ástandi, stefnir að því að ná fram orkuþéttleika 400Wh\/kg árið 2024 og auka það í 600Wh\/kg árið 2025. Samkvæmt áætluninni, þegar massaframleidd árið 2027 er búist við að Pure Electric aksturssviðið fari yfir 1500 km. Ef þessum markmiðum er náð mun það létta mjög á sviðskvíða notenda rafknúinna ökutækja.
Áskoranir í raunverulegu sviðinu
Hins vegar, frá rannsóknarstofunni til hagnýtra notkunar, standa samt sem áður frammi fyrir nokkrum áskorunum hvað varðar svið. Í fyrsta lagi er viðnám viðmóts milli fastra salta og rafskauta tiltölulega áberandi, sem er í ætt við að setja upp tollbás á þjóðvegi, hindra skjótan smit litíumjóna og hafa áhrif á hleðslu og losunarvirkni rafhlöðunnar og hafa þar með áhrif á sviðið. Í öðru lagi, banvænn galli súlfíðs salta, sem framleiðir mjög eitrað brennisteinsvetni þegar það verður fyrir vatni, eykur ekki aðeins öryggisáhættu við rafhlöðuframleiðslu og notkun heldur einnig alvarlegar áskoranir fyrir stöðugleika og áreiðanleika rafhlöðunnar. Að auki leiðir lítil afrakstur fastra raflausnarfilmu undirbúnings til mikils framleiðslukostnaðar í stórum stíl, sem takmarkar víðtæka beitingu rafhlöður í föstu ástandi og hefur óbeint áhrif á ferlið við að sýna fram á langdræga kosti þeirra á markaðnum.
Ályktun og horfur
Í stuttu máli, rafhlöður í föstu ástandi sýna verulegan möguleika hvað varðar öryggi og svið. Hvað varðar öryggi er hitauppstreymi þeirra áberandi og þeir geta í raun hindrað litíum dendrite vöxt, sem gerir þá öruggari og áreiðanlegri en hefðbundnir fljótandi litíumjónarafhlöður í flestum tilvikum. Í ljósi öfgafullra aðstæðna eins og fastra saltabilunar eru samt ákveðin öryggisáhætta. Hvað varðar svið, þá veitir fræðilegur kostur mikillar orkuþéttleika möguleika á langdrægu og sum tilraunagögn og áætlanir fyrirtækja sýna einnig efnilegar horfur. Hins vegar, í hagnýtum forritum, hafa mál eins og viðnám viðmóts, salta galla og kostnaður orðið hindranir sem hindra fulla skilning á langdrægum kostum þeirra.
Þrátt fyrir frammi fyrir fjölmörgum áskorunum er enn litið á rafhlöður á föstu ástandi sem mikilvægri þróunarstefnu fyrir næstu kynslóð rafhlöðutækni.