Solid-state-batterier: nästa generations batteriväg

Solid-state-batterier: nästa generations batteriväg

Den 14 maj, enligt "The Korea Times" och andra mediarapporter, planerar Samsung att samarbeta med Hyundai för att utveckla elfordon och tillhandahålla strömbatterier och andra anslutna bildelar till Hyundais elfordon. Media förutspår att Samsung och Hyundai snart kommer att underteckna ett icke-bindande samförståndsavtal om batteriförsörjning. Det rapporteras att Samsung introducerade sitt senaste solid-state-batteri till Hyundai.

Enligt Samsung, när dess prototypbatteri är fulladdat, kan det tillåta en elbil att köra mer än 800 kilometer åt gången, med en battericykeltid på mer än 1,000 50 gånger. Dess volym är XNUMX % mindre än ett litiumjonbatteri med samma kapacitet. Av denna anledning anses solid-state-batterier vara de mest lämpliga kraftbatterierna för elfordon under de kommande tio åren.

I början av mars 2020 publicerade Samsung Institute for Advanced Study (SAIT) och Samsung Research Center of Japan (SRJ) "High-energy long-cycling all-solid-state lithium metal batterys enabled by silver" i tidningen "Nature Energy". -Carbon composite anoder" introducerade sin senaste utveckling inom området solid-state-batterier.

Detta batteri använder en fast elektrolyt, som inte är brandfarlig vid höga temperaturer och som också kan hämma tillväxten av litiumdendriter för att undvika punktering av kortslutningar. Dessutom använder den ett silver-kol (Ag-C) kompositskikt som anod, vilket kan öka energitätheten till 900Wh/L, har en lång livslängd på mer än 1000 cykler och en mycket hög coulombisk effektivitet (laddning). och utsläppseffektivitet) på 99.8 %. Den kan driva batteriet efter en enda betalning. Bilen färdades 800 kilometer.

Men SAIT och SRJ som publicerade artikeln är vetenskapliga forskningsinstitutioner snarare än Samsung SDI, som fokuserar på teknik. Artikeln klargör bara det nya batteriets princip, struktur och prestanda. Det bedöms preliminärt att batteriet fortfarande är på laboratoriestadiet och kommer att bli svårt att masstillverka på kort tid.

Skillnaden mellan solid state-batterier och traditionella flytande litiumjonbatterier är att fasta elektrolyter används istället för elektrolyter och separatorer. Det är inte nödvändigt att använda litium-interkalerade grafitanoder. Istället används metalllitium som anod, vilket minskar antalet anodmaterial. Drivbatterier med högre kroppsenergitäthet (>350Wh/kg) och längre livslängd (>5000 cykler), samt specialfunktioner (som flexibilitet) och andra krav.

De nya systembatterierna inkluderar solid-state-batterier, litiumflödesbatterier och metall-luftbatterier. De tre solid state-batterierna har sina fördelar. Polymerelektrolyter är organiska elektrolyter och oxider och sulfider är oorganiska keramiska elektrolyter.

Om man tittar på de globala solid-state batteriföretagen finns det nystartade företag, och det finns även internationella tillverkare. Företagen är ensamma i elektrolytsystemet med olika övertygelser, och det finns ingen trend av teknikflöde eller integration. För närvarande ligger vissa tekniska vägar nära industrialiseringens villkor, och vägen till automatisering av solid-state-batterier har pågått.

Europeiska och amerikanska företag föredrar polymer- och oxidsystem. Det franska företaget Bolloré tog ledningen när det gäller att kommersialisera polymerbaserade solid state-batterier. I december 2011 gick dess elfordon som drivs av 30kwh solid-state polymerbatterier + elektriska dubbelskiktskondensatorer in på marknaden för delade bilar, vilket var första gången i världen. Kommersiella solid-state-batterier för elbilar.

Sakti3, en tillverkare av tunnfilmsoxider i fast tillstånd, förvärvades av den brittiska hushållsapparatjätten Dyson 2015. Det är föremål för kostnaden för tunnfilmsberedning och svårigheten med storskalig produktion, och det har inte förekommit någon massa produktionsprodukt under lång tid.

Maxwells plan för solid-state-batterier är att först komma in på småbatterimarknaden, masstillverka dem 2020 och använda dem inom energilagring 2022. För snabb kommersiell tillämpning kan Maxwell först överväga att prova semi- solida batterier på kort sikt. Fortfarande är halvfasta batterier dyrare och används främst i särskilda efterfrågan, vilket gör storskaliga tillämpningar svåra.

Icke-tunnfilmsoxidprodukter har utmärkt övergripande prestanda och är för närvarande populära under utveckling. Både Taiwan Huineng och Jiangsu Qingdao är välkända spelare på denna bana.

Japanska och koreanska företag är mer engagerade i att lösa industrialiseringsproblemen i sulfidsystemet. Representativa företag som Toyota och Samsung har påskyndat sin implementering. Sulfid solid state-batterier (litium-svavelbatterier) har kolossal utvecklingspotential på grund av sin höga energitäthet och låga kostnad. Bland dem är Toyotas teknik den mest avancerade. Den släppte demobatterier på amperenivå och elektrokemisk prestanda. Samtidigt använde de även LGPS med högre konduktivitet vid rumstemperatur som elektrolyt för att förbereda ett större batteripaket.

Japan har lanserat ett rikstäckande forsknings- och utvecklingsprogram. Den mest lovande alliansen är Toyota och Panasonic (Toyota har nästan 300 ingenjörer involverade i utvecklingen av solid-state-batterier). Det sa att det skulle kommersialisera solid state-batterier inom fem år.

Kommersialiseringsplanen för hel-solid-state-batterier som utvecklats av Toyota och NEDO börjar med att utveckla hel-solid-state-batterier (första generationens batterier) med hjälp av befintliga LIB optimistiska och skadliga material. Efter det kommer den att använda nya positiva och negativa material för att öka energitätheten (nästa generations batterier). Toyota förväntas producera prototyper av solid-state elfordon 2022, och det kommer att använda solid state-batterier i vissa modeller 2025. 2030 kan energitätheten nå 500Wh/kg för att uppnå massproduktionstillämpningar.

Ur patentperspektivet, bland de 20 främsta patentsökandena för solid-state litiumbatterier, stod japanska företag för 11. Toyota ansökte om flest och nådde 1,709 2.2, 10 gånger det andra Panasonic. De 8 bästa företagen är alla japanska och sydkoreanska, inklusive 2 i Japan och XNUMX i Sydkorea.

Ur patenthavarnas globala patentlayout är Japan, USA, Kina, Sydkorea och Europa nyckelländerna eller regionerna. Utöver lokala ansökningar har Toyota det största antalet ansökningar i USA och Kina, och står för 14.7 % respektive 12.9 % av de totala patentansökningarna.

Industrialiseringen av solid-state-batterier i mitt land är också under ständig utforskning. Enligt Kinas tekniska ruttplan, år 2020, kommer det gradvis att förverkliga fast elektrolyt, högspecifik energisyntes av katodmaterial och tredimensionell ramstruktur av litiumlegeringskonstruktionsteknik. Den känner igen 300Wh/kg liten kapacitet enstaka batteriprovtillverkning. År 2025 kommer halvledarbatteriets gränssnittskontrollteknik att realisera 400Wh/kg storkapacitet enstaka batteriprov och gruppteknik. Det förväntas att solid state-batterier och litium-svavelbatterier kan masstillverkas och marknadsföras 2030.

Nästa generations batterier i CATLs IPO-insamlingsprojekt inkluderar solid state-batterier. Enligt NE Times-rapporter räknar CATL med att uppnå massproduktion av solid-state-batterier senast 2025.

På det hela taget är polymersystemtekniken den mest mogna, och den första produkten på EV-nivå är född. Dess konceptuella och framåtblickande karaktär har utlöst accelerationen av investeringar i forskning och utveckling av senakomlingar, men den övre gränsen för prestanda begränsar tillväxten, och blandning med oorganiska fasta elektrolyter kommer att vara en möjlig lösning i framtiden; oxidation; I materialsystemet är utvecklingen av tunnfilmstyper fokuserad på kapacitetsutvidgning och storskalig produktion, och den övergripande prestandan för icke-filmtyper är bättre, vilket är i fokus för aktuell forskning och utveckling; sulfid-systemet är det mest lovande solid-state-batterisystemet inom elfordon, men i en polariserad situation med enormt utrymme för tillväxt och omogen teknologi, är det framtidens fokus att lösa säkerhetsproblem och gränssnittsproblem.

De utmaningar som solid state-batterier står inför inkluderar främst:

• Minska kostnader.
• Förbättring av säkerheten för fasta elektrolyter.
• Upprätthålla kontakt mellan elektroder och elektrolyter under laddning och urladdning.

Litium-svavelbatterier, litium-luft och andra system måste ersätta hela batteristrukturens ram, och det finns fler och mer betydande problem. De positiva och negativa elektroderna på solid-state-batterier kan fortsätta att använda det nuvarande systemet, och svårigheten att förverkliga är relativt liten. Som nästa generations batteriteknologi har solid-state-batterier högre säkerhet och energitäthet och kommer att bli det enda sättet i post-litium-eran.