Vastestofbatterijen: wanneer worden 'vervangers' 'steunpilaren'?

Solid-state batterijenzijn in opkomst als energiebron van de volgende generatie, maar hybride vaste-vloeistofbatterijen zullen waarschijnlijk als eerste op de markt komen en fungeren als een cruciale brug tussen de huidige vloeibare lithium-ioncellen en toekomstige volledig vaste-stofsystemen.

Wat solid-state batterijen zijn

Vastestofbatterijen vervangen brandbare vloeibare elektrolyten door vaste materialen, terwijl ze een hogere energiedichtheid en betere veiligheidsprestaties mogelijk maken. Hun kathodes kunnen gebruik maken van hoogenergetische materialen zoals lithiumrijke mangaanverbindingen, terwijl de anode nano-silicium en grafiet kan combineren om de energiedichtheid naar 300-450 Wh/kg te brengen.

Een vaste elektrolyt vervoert lithiumionen zonder lekkagerisico en vermindert de kans op thermische overstroming aanzienlijk.

Anodes met een hogere capaciteit en hoogspanningskathodes geven solid-state batterijen het potentieel voor een groter rijbereik in elektrische voertuigen en een verbeterd uithoudingsvermogen in drones of energieopslagsystemen.

Hybride vast-vloeistof als transitie

Het artikel maakt onderscheid tussen vloeibare, hybride vaste-vloeistof- en volledig vaste-stof-lithiumbatterijen, waarbij wordt benadrukt dat hybride ontwerpen een essentiële overgangsfase zijn. Halfvaste, quasi-vaste en ‘vaste’ batterijen op de markt vallen grotendeels in deze hybride categorie en verschillen alleen in de verhouding tussen vloeibare en vaste elektrolyt.

Hybride vast-vloeistofbatterijen bevatten nog steeds een beetje vloeibare elektrolyt, wat het contact met actieve materialen verbetert en de productie vergemakkelijkt.

Volledig solid-state batterijen bevatten uitsluitend vast elektrolyt, wat een betere intrinsieke veiligheid en een hogere theoretische energiedichtheid biedt, maar tegenwoordig met ernstigere technische uitdagingen wordt geconfronteerd.

Technische barrières voor volledige solid-state

Hoewel veel bedrijven en onderzoeksinstituten over de hele wereld investeren in solid-state technologie, is er nog geen solid-state energiecel met grote capaciteit die vloeibare lithium-ionbatterijen kan evenaren wat betreft prestaties en kosten. De kern van het probleem ligt bij het vast-vaste grensvlak, waar stijve elektrolytmaterialen het moeilijk maken om intiem contact met de elektroden te behouden tijdens het fietsen en volumeveranderingen.

De huidige routes omvatten polymeer-, dunne-film-, sulfide- en oxide-solid-state-batterijen, elk met duidelijke voordelen en beperkingen.

Polymere vastestofcellen hebben het bijvoorbeeld moeilijk bij kamertemperatuur en met hoogspanningskathodes, terwijl sulfidesystemen gevoelig zijn voor lucht en veeleisende productieomstandigheden vereisen.

In-situ stollingsstrategie

Om interfaceproblemen te overwinnen en tegelijkertijd gebruik te maken van de bestaande lithium-ioninfrastructuur, stellen onderzoekers een in-situ stollingsaanpak voor hybride vaste-vloeistofelektrolyten voor. Tijdens de celassemblage zorgt een vloeibare precursor voor een goede bevochtiging en contact; later zetten chemische of elektrochemische reacties deze vloeistof geheel of gedeeltelijk om in een vaste elektrolyt in de cel.

Deze methode verbetert het contact tussen elektrode en elektrolyt, onderdrukt de groei van lithiumdendriet en brengt de veiligheid, hoge spanning en snellaadprestaties in evenwicht.

Het kan ook een groot deel van het huidige productieproces van vloeibare lithium-ionen hergebruiken, waardoor fabrikanten sneller kunnen opschalen en de kosten kunnen verlagen.

Toekomstige ontwikkelingsrichtingen

Deskundigen verwachten dat volledig uit vaste stof bestaande lithiumbatterijen nog ongeveer vijf jaar nodig zullen hebben voordat ze daadwerkelijk op grote schaal op de markt worden gebracht, dus hybride vast-vloeibare energiebatterijen blijven een realistisch traject voor de korte termijn. Om de industrialisatie te versnellen benadrukt het artikel de noodzaak van gecoördineerde vooruitgang op het gebied van materialen, celontwerp, productie en standaarden.

Prioriteiten zijn onder meer: ​​het ontwikkelen van vaste elektrolyten met een evenwichtige ionische geleidbaarheid, stabiliteit en verwerkbaarheid; het matchen van hoogenergetische elektroden zoals hoog-nikkelkathoden en silicium-koolstof- of lithiummetaalanodes; en het integreren van digitale simulatie met intelligente productie.

De industrie wordt aangemoedigd om robuuste toeleveringsketens voor belangrijke materialen op te bouwen, te investeren in geautomatiseerde apparatuur, test- en evaluatiesystemen te verfijnen en geleidelijk te evolueren van hybride vaste-vloeibare stoffen. lithium-ionbatterijenrichting volledig solid-state lithium-metaalbatterijen.