Kako je trenutni razvoj akumulatorjev v trdnem stanju?

Baterije v trdnem stanju se nanašajo na baterije, proizvedene z elektrodami v trdnem stanju in elektroliti trdnega stanja. Drugačne od obstoječih baterij v tekoči obliki, so ena glavnih usmeritev za razvoj novih baterij za energetska vozila v prihodnosti. Pred kratkim, ko je skupina Volkswagen objavila svoje finančno poročilo drugega četrtletja, je predsednik uprave Skupine Volkswagen Herbert Diss dejal, da Volkswagen načrtuje samostojno proizvodnjo baterij v trdnem stanju, množična proizvodnja pa se lahko začne v letih 2024 ali 2025. V skladu z nacionalnim načrtom za energetsko varčevanje in tehnologijo novih energetskih vozil do leta 2025 je cilj energijske gostote litijevih baterij za čista električna vozila 400Wh/kg, cilj leta 2030 pa 500Wh/kg. Kar zadeva trenutno razširjeno ternary baterijo, tehnično ozko grlo, ki obstaja v tej fazi, otežuje doseganje zgoraj navedenih ciljev.

Če je energijska gostota litijevih baterij za dosego cilja energijske gostote, večje od 500Wh/kg, kot je predvideno, je obstoječi tekoči elektrolitni baterijski sistem lahko nemočen. Kot naslednja generacija baterijske tehnološke poti za 500Wh/kg, je raziskovanje in razvoj akumulatorskega sistema trdnega stanja postalo togo povpraševanje. Za srednjeročni in dolgoročni razvoj nove energetske avtomobilske industrije so potrebne nove tehnične rezerve, litij-ione baterije v trdnem stanju pa naj bi postale prevladujoča tehnološka pot za naslednjo generacijo avtomobilskih litijevih baterij. Ne gre le za pomembno razvojno smer za sekundarne baterije v prihodnosti, ampak tudi za zdaj pomembno nalogo.

Kakšne so prednosti baterij v trdnem stanju v primerjavi s ternary baterijami? Prvič, v smislu energijske gostote je elektrokemično okno organskih elektrolitov, ki se trenutno uporabljajo v ternarijskih in drugih litij-ionskih baterijah, omejeno in je težko združljivo s kovinskimi litijevimi anodi in novo razvitimi visoko potencialnimi katodnimi materiali. Vendar pa imajo trdni elektroliti na splošno širšo električno zmogljivost kot organski elektroliti. Kemično okno pomaga dodatno povečati energijsko gostoto baterije. Drugič, glede volumna, ker elektrolit nadomesti trdni elektrolit, bo prostornina trdne baterije manjša pod isto energijsko gostoto. Z enako močjo bodo baterije v trdnem stanju postale manjše. V okoliščinah, da gostota energije ostaja enaka, bosta masa in prostornina akumulatorja v trdnem stanju z enakim polnjenjem manjša od količine tekoče elektrolitske baterije. Ne samo to, ker v akumulatorju v trdnem stanju ni elektrolita, ga je lažje zatesnjeti. Pri uporabi v obsežni opremi, kot so avtomobili, ni treba dodajati dodatnih hladilnih cevi, elektronskih krmil itd., kar prihrani stroške, hkrati pa zmanjša lastno težo. Po uporabi trdnega elektrolita lahko grafitno negativno elektrodo nadomestimo s kovinskim litijem, kar bistveno zmanjša težo celotne baterije.

S stališča postavitve baterij v trdnem stanju v različnih državah je Toyota bolj napredna v tehnologiji. Leta 2010 je izstrelil baterije iz sulfidnega trdnega stanja. V 2014 je energijska gostota eksperimentalnega prototipa baterije dosegla 400Wh/kg. Od februarja 2017 je Toyotin patent, povezan z baterijami v trdnem stanju, dosegel 30, kar je veliko višje od drugih podjetij. Po navedbah direktorjev Toyote bo Toyota leta 2020 realizirala industrializacijo baterij trdnega stanja sulfida. Poleg tega je Samsung dosegel tudi določene rezultate z uporabo trdnih elektrolita na osnovi sulfida za poskusno proizvodnjo 2000mAh, 175Wh/kg laminirane vse trdne sekundarne baterije.

Domače podjetje CATL je tudi relativno zrelo v sulfidnih baterijah v trdnem stanju, trenutno pa pospešuje razvoj sulfidnih litijevih kovinskih baterij v vse trdnem stanju za EV. Poleg tega je treba omeniti, da je Ganfeng Litij pred kratkim zaključil prvo generacijo raziskave in razvoj pilotne linije za baterije prve generacije, njegovi vzorci pa so opravili inšpekcijski pregled Kitajskega inštituta za avtomobilske raziskave Avtomobilski inšpekcijski center, projekt pa nima presedenda o uspešni praksi na Kitajskem, ki je mednarodni vodja Tehnološki preboj naj bi leta 2019 dosegel množično proizvodnjo.

V primerjavi s ternarijami imajo baterije v trdnem stanju toliko prednosti, zakaj niso bile zmozne doseči množične proizvodnje? Ključ do akumulatorjev v trdnem stanju so elektroliti v trdnem stanju. Najpomembnejši razlog za težave pri razvoju akumulatorjev v trdnem stanju v tej fazi je neuspeh elektrolitnih materialov za doseganje preboja. Noben od obstoječih anorganskih trdnih elektrolit in polimernih elektrolitnih materialov nima visoke jonske prevodnosti in mehanske trdnosti, ima pa tudi dobre predelovalne lastnosti.

Tehnične težave električnih litijevih baterij so bile vedno ozko grlo, ki omejuje razvoj novih energetskih vozil, ozko grlo, ki ga je težko preiti, pa je tudi v tehnologiji. V današnji ostri konkurenci v industriji električnih litijevih baterij so podjetja, ki se resnično zadnje smejejo, pogosto tista, ki obvladajo temeljne tehnologije. Baterije v trdnem stanju so v prihodnosti pomembna razvojna usmeritev tehnologije in že je soglasje industrije. Ali lahko kitajska podjetja zmagajo v naslednji "trdi bitki", še vedno potrebujejo skupna prizadevanja kolegov v industriji.