Какви напреднали материали променят клетките на твърдото състояние?
Търсенето на превъзходни батерии от твърдо състояние накара изследователите да изследват разнообразен набор от напреднали материали. Тези нови съединения и композиции натискат границите на възможното в технологията за съхранение на енергия.
Електролити на базата на сулфид: скок напред в йонна проводимост
Сред най -обещаващите материали засолидна клетка на батериятаСтроителството са сулфидни електролити. Тези съединения, като LI10GEP2S12 (LGPS), са привлекли значително внимание поради изключителната си йонна проводимост при стайна температура. Това свойство позволява по-бързи скорости на зареждане и изхвърляне, което се отнася до едно от ключовите ограничения на традиционните литиево-йонни батерии.
Сулфидните електролити също проявяват благоприятни механични свойства, което позволява по -добър контакт между електролит и електроди. Този подобрен интерфейс намалява вътрешната устойчивост и повишава общата работа на клетките. Въпреки това, предизвикателствата остават по отношение на тяхната чувствителност към влага и въздух, което налага внимателни процеси на производство и капсулиране.
Електролити на базата на оксид: Балансиране на стабилността и производителността
Електролитите на базата на оксид, като LLZO (LI7LA3ZR2O12), предлагат интригуваща алтернатива на материалите на базата на сулфид. Въпреки че обикновено проявяват по -ниска йонна проводимост, оксидните електролити се гордеят с превъзходни химически и електрохимична стабилност. Тази стабилност се превръща в по-дълъг живот на цикъла и подобрени характеристики на безопасността, което ги прави особено привлекателни за мащабни приложения като електрически превозни средства.
Скорошният напредък в допинг и наноструктуриране на оксидни електролити доведе до значително подобряване на тяхната йонна проводимост. Например, алуминиево-легираното LLZO показа обещаващи резултати, приближавайки се до нивата на проводимост на течни електролити, като същевременно поддържа присъщите предимства на безопасността на твърдото състояние.
Керамични срещу полимерни електролити: Кое се представя по -добре?
Дебатът между керамичните и полимерните електролити в технологията на батерията на твърдо състояние на батерията продължава, като всеки предлага уникални предимства и предизвикателства. Разбирането на характеристиките на тези материали е от решаващо значение за определяне на тяхната пригодност за различни приложения.
Керамични електролити: Висока проводимост, но крехка
Керамичните електролити, включително гореспоменатите материали на сулфид и оксид, обикновено предлагат по-висока йонна проводимост в сравнение с техните полимерни колеги. Това означава по -бързо време за зареждане и по -висока мощност, което ги прави идеални за приложения, изискващи бърз пренос на енергия.
Твърдият характер на керамичните електролити обаче представлява предизвикателства по отношение на производството и механичната стабилност. Тяхната мрачност може да доведе до напукване или разрушаване под стрес, което потенциално компрометира целостта насолидна клетка на батерията. Изследователите изследват композитни материали и нови техники за производство, за да смекчат тези проблеми, като същевременно запазват високата проводимост на керамичните електролити.
Полимерни електролити: гъвкав и лесен за обработка
Полимерните електролити предлагат няколко предимства по отношение на гъвкавостта и лекотата на обработка. Тези материали могат лесно да бъдат оформени в различни форми и размери, което позволява по -голяма свобода на дизайна при изграждането на батерията. Тяхната присъща гъвкавост също помага за поддържане на добър контакт между електролит и електроди, дори когато батерията претърпява промени в обема по време на цикли на зареждане и изхвърляне.
Основният недостатък на полимерните електролити традиционно е тяхната по -ниска йонна проводимост в сравнение с керамиката. Въпреки това, последните постижения в Polymer Science доведоха до разработването на нови материали със значително подобрена проводимост. Например, омрежените полимерни електролити, инфузирани с керамични наночастици, показват обещаващи резултати, съчетавайки гъвкавостта на полимерите с високата проводимост на керамиката.
Как графеновите композити повишават ефективността на клетките на твърдото състояние
Graphene, чудесният материал на 21 век, прави значителни навлизане в технологията на батерията на твърдо състояние. Уникалните му свойства са използвани за подобряване на различни аспекти насолидна клетка на батериятаизпълнение.
Подобрена електродна проводимост и стабилност
Включването на графен в електродни материали показа забележителни подобрения както в електронната, така и в йонната проводимост. Тази повишена проводимост улеснява по -бързия пренос на заряд, което води до подобрена плътност на мощността и намалена вътрешна устойчивост. Нещо повече, механичната сила на графена помага за поддържане на структурната цялост на електродите по време на многократни цикли на заряд на заряд, което води до по-добра дългосрочна стабилност и живот на цикъла.
Изследователите демонстрират, че подобрените с графен катоди, като тези, които използват литиев железен фосфат (LiFepo4), комбинирани с графен, проявяват превъзходна способност и задържане на капацитет в сравнение с техните конвенционални колеги. Това подобрение се дължи на способността на Graphene да създава проводима мрежа в материала на електрода, като улеснява ефективния електронен и йонния транспорт.
Графен като междуфазен слой
Едно от критичните предизвикателства в дизайна на батерията с твърдо състояние е управлението на интерфейса между твърдия електролит и електроди. Графенът се очертава като обещаващо решение на този проблем. Чрез включването на тънък слой графен или графен оксид в електродно-електролитния интерфейс, изследователите са наблюдавали значителни подобрения в стабилността и ефективността на клетките на твърдото състояние.
Този графенов междинно слой служи за множество цели:
1. Той действа като буфер, приспособявайки промените на обема по време на колоездене и предотвратяване на разслояването.
2. Подобрява йонната проводимост на интерфейса, улеснявайки по -плавен йонни трансфер.
3. Той помага да се потисне образуването на нежелани междуфазни слоеве, които могат да увеличат вътрешната устойчивост.
Прилагането на графен по този начин показа особено обещание за справяне с предизвикателствата, свързани с използването на литиеви метални аноди в батерии от твърдо състояние. Литиевият метал предлага изключително висок теоретичен капацитет, но е склонен към образуване на дендрит и реактивност с твърди електролити. Внимателно проектиран графен интерфейс може да смекчи тези проблеми, проправяйки пътя към клетките на твърдото състояние с висока енергийна плътност.
Композитни електролити, подобрени с графен
Отвъд ролята си в електродите и интерфейсите, графенът също се изследва като добавка в композитни твърди електролити. Чрез включване на малки количества графен или графен оксид в керамични или полимерни електролити, изследователите са наблюдавали подобрения както в механичните, така и в електрохимичните свойства.
В полимерните електролити графенът може да действа като подсилващ агент, подобрявайки механичната якост на материала и стабилността на размерите. Това е особено полезно за поддържане на добър контакт между компонентите като цикли на батерията. Освен това, високата повърхност и проводимостта на графена могат да създадат перколативни мрежи в електролита, като потенциално повишават общата йонна проводимост.
За керамичните електролити добавките на графен показаха обещание за подобряване на здравината и гъвкавостта на счупването на материала. Това се занимава с едно от ключовите ограничения на керамичните електролити - тяхната мрачност - без значително да се компрометира високата им йонна проводимост.
Заключение
Разработването на нови материали засолидна клетка на батериятаТехнологията бързо напредва, обещавайки бъдеще на по-безопасни, по-ефективни и решения за съхранение на енергия с по-голям капацитет. От електролити на базата на сулфид и оксид до интегриране на графен в различни компоненти на батерията, тези иновации проправят пътя за следващото поколение батерии, които биха могли да захранват всичко-от смартфони до електрически самолети.
Тъй като изследванията продължават и производствените процеси се усъвършенстват, можем да очакваме да видим, че твърдите държавни батерии стават все по-конкурентни и в крайна сметка надминават традиционната литиево-йонна технология. Потенциалните ползи от гледна точка на безопасността, енергийната плътност и дълголетието правят батериите на твърдото състояние вълнуваща перспектива за широк спектър от приложения.
Ако търсите да останете на преден план в технологията на батерията, помислете за проучване на авангардни твърди състояния, предлагани от Emathery. Екипът ни от експерти е посветен на предоставянето на най-съвременни решения за съхранение на енергия, съобразени с вашите специфични нужди. За повече информация или да обсъдим как нашата технология на батерията на солидното състояние може да се възползва от вашия проект, не се колебайте да се свържете с нас вcathy@zyepower.com. Нека да захранваме бъдещето заедно с напредналите твърди държавни технологии!
ЛИТЕРАТУРА
1. Zhang, L., et al. (2022). „Разширени материали за батерии със твърдо състояние: предизвикателства и възможности.“ Природна енергия, 7 (2), 134-151.
2. Chen, R., et al. (2021). "Графен-подобрени интерфейси в литиеви батерии от твърдо състояние." Разширени енергийни материали, 11 (15), 2100292.
3. Kim, J.G., et al. (2023). "Сулфид срещу оксид електролити: сравнително проучване за батерии от твърдо състояние от следващо поколение." Списание за източници на енергия, 545, 232285.
4. Wang, Y., et al. (2020). "Полимер-керамичен композитни електролити за литиево-батерии от твърдо състояние: преглед." Материали за съхранение на енергия, 33, 188-207.
5. Li, X., et al. (2022). "Последни постижения в материалите на базата на графен за приложенията на батерията в твърдо състояние." Разширени функционални материали, 32 (8), 2108937.
