Полимерные литий-ионные батареи выигрывают гонку за лидерство в сегменте твердотельных аккумуляторов?
| Jerry Huang
Примечание редактора: Для твердотельных литиевых батарей существует четыре типа электролитов: полимерный, оксидный, сульфидный и галогенидный, каждый из которых обладает своими отличительными характеристиками:
Полимерные литиевые электролиты
Использование полимерных материалов в качестве электролитов обеспечивает как гибкость, так и высокую ионную проводимость, что делает их подходящими в качестве переходного решения для полутвердотельных батарей. Они обладают хорошей технологичностью, хотя долговременная стабильность при циклической работе еще нуждается в подтверждении.
Электролиты на основе оксида лития
Эти электролиты, созданные на основе таких материалов, как оксид лития, отличаются более низкой стоимостью и хорошей стабильностью, но обладают относительно низкой ионной проводимостью.
Электролиты на основе сульфида лития
Эти электролиты, основанные на соединениях сульфида лития, обладают высокой проводимостью при комнатной температуре и превосходной совместимостью интерфейсов, что делает их наиболее перспективной с коммерческой точки зрения технологией. Однако сульфидные материалы страдают от низкой химической стабильности и высоких производственных затрат.
Электролиты на основе галогенидов лития
Твердотельные галогенидные электролиты обладают высокой проводимостью и стойкостью к окислению, однако их разработка пока остается на лабораторном уровне, а перспективы коммерциализации неясны.
Общие характеристики
В твердотельных батареях традиционные жидкие электролиты заменены неорганическими порошковыми материалами, что значительно повышает безопасность и плотность энергии. Однако различные технические подходы демонстрируют существенные различия в стоимости и зрелости процесса. Например, хотя сульфидный метод обеспечивает высокую проводимость, он страдает от низкой химической стабильности, в то время как полимерный метод сталкивается с проблемами в отношении срока службы. Некоторые эксперты говорят, что крупномасштабное коммерческое производство твердотельных батарей в конечном итоге будет зависеть от решений полупроводниковой промышленности, включая осаждение тонких пленок, точный контроль на уровне производственной линии и вакуумные системы, а также другие решения, такие как тонкопленочное и микро- и наноструктурирование. Считается, что до завершения этого процесса еще семь-десять лет.
Технология твердотельных батарей в настоящее время переживает критически важный переход от лабораторных прототипов к промышленному внедрению, и в первую очередь ей необходима систематическая перестройка системы оценки. Лабораторный этап в основном фокусируется на показателях электрохимических характеристик (таких как плотность энергии, срок службы и скорость заряда/разряда), в то время как для промышленного применения технологии твердотельных батарей требуется разработка многомерных критериев оценки:
Расширенные критерии оценки: При промышленном применении необходимо учитывать системные факторы, включая: масштабируемость и осуществимость (включая совместимость процессов, контроль выхода продукции и т. д.), зрелость цепочки поставок (включая стабильность критически важных сырьевых материалов, возможности поддержки специализированного оборудования и т. д.) и общую стоимость жизненного цикла (включая закупку сырья, производство, переработку и т. д.).
Оптимизация затрат на технологии: Индустриализация требует оптимального баланса между техническими данными и затратами, включая динамический баланс между электрохимическими характеристиками и производственными издержками, выбор материалов и устойчивость цепочки поставок, а также баланс между сложностью производственного процесса и масштабируемостью.
Систематическая оценка: соответствие ключевым требованиям, включая стабильность массового производства (стандарт контроля качества 6σ), сертификаты безопасности (например, соответствие UL 9540A и другим международным стандартам) и проектную мощность одной производственной линии ≥2 ГВт·ч и т. д.
Профессор Го придерживается иного мнения относительно победы полимерных литиевых электролитов над сульфидными электролитами в гонке твердотельных батарей. Давайте рассмотрим исследования команды Синь Го. Огромная благодарность всем исследователям за их огромные усилия.
Абстрактный
Твердотельные батареи (ТБ) обещают произвести революцию в области хранения энергии, обеспечивая повышенную безопасность, более высокую плотность энергии и увеличенный срок службы по сравнению с традиционными литий-ионными батареями. Среди различных твердых электролитов полимеры выделяются своим уникальным сочетанием технологичности, механической податливости и химической универсальности. В этом обзоре рассматривается, почему полимеры готовы возглавить гонку за создание коммерческих ТБ. Рассматриваются их внутренние преимущества, такие как превосходный межфазный контакт с электродами, регулируемая ионная проводимость и совместимость с масштабируемыми методами производства, а также ключевые технические проблемы, с которыми они сталкиваются, включая ограниченную термическую стабильность, узкие электрохимические окна и межфазную деградацию. В этом исследовании освещаются новые решения из последних исследований, включая молекулярный дизайн полимеров, полимерно-керамические композиты и стратегии полимеризации in situ. В отличие от оксидных и сульфидных систем, которые сталкиваются со значительными барьерами в стоимости, технологичности производства и интеграции, полимерные электролиты предлагают реалистичный и экономически целесообразный путь к крупномасштабному внедрению. Благодаря постоянному совершенствованию материалов и промышленной обработки, полимеры не только конкурентоспособны, но и возглавляют переход к твердотельным батареям следующего поколения.
Ссылки
https://doi.org/10.1002/advs.202510481