Қатты күйдегі батареялар: келесі ұрпақтың батарея бағыты

Қатты күйдегі батареялар: келесі ұрпақтың батарея бағыты

14 мамырда «The Korea Times» және басқа да БАҚ мәліметтеріне сәйкес, Samsung Hyundai-мен электр көліктерін жасау және Hyundai электромобильдері үшін қуат батареялары мен басқа да жалғанған автокөлік бөлшектерін қамтамасыз ету үшін ынтымақтасуды жоспарлап отыр. Бұқаралық ақпарат құралдарының болжауынша, Samsung пен Hyundai жақын арада аккумуляторды жеткізу бойынша өзара түсіністік туралы міндетті емес меморандумға қол қояды. Samsung өзінің соңғы қатты күйдегі аккумуляторын Hyundai-ға ұсынды деп хабарланды.

Samsung компаниясының айтуынша, оның прототипі аккумулятор толық зарядталғанда, ол электромобильге бір уақытта 800 шақырымнан астам жүруге мүмкіндік береді, батареяның қызмет ету мерзімі 1,000 еседен асады. Оның көлемі бірдей сыйымдылықтағы литий-ионды аккумулятордан 50%-ға аз. Осы себепті қатты күйдегі аккумуляторлар алдағы он жылда электр көліктері үшін ең қолайлы қуат батареялары болып саналады.

2020 жылдың наурыз айының басында Samsung Advanced Study институты (SAIT) және Жапонияның Samsung зерттеу орталығы (SRJ) «Nature Energy» журналында «Күміспен қосылған жоғары энергиялы ұзақ циклді толық қатты күйдегі литий-металл батареялары» атты мақаланы жариялады. -Көміртекті композиттік анодтар» қатты күйдегі аккумуляторлар саласындағы соңғы әзірлемелерін ұсынды.

Бұл батарея қатты электролит пайдаланады, ол жоғары температурада жанғыш емес, сонымен қатар қысқа тұйықталуды болдырмау үшін литий дендриттерінің өсуін тежей алады. Сонымен қатар, ол анод ретінде энергия тығыздығын 900 Вт сағ/л дейін арттыра алатын күміс-көміртекті (Ag-C) композициялық қабатын пайдаланады, 1000 циклден асатын ұзақ циклды және өте жоғары кулондық тиімділікті (заряд) пайдаланады. және разряд тиімділігі) 99.8% құрайды. Ол бір төлемнен кейін аккумуляторды жүргізе алады. Көлік 800 шақырым жол жүрді.

Дегенмен, мақаланы жариялаған SAIT және SRJ - бұл технологияға бағытталған Samsung SDI емес, ғылыми зерттеу мекемелері. Мақалада тек жаңа батареяның принципі, құрылымы және өнімділігі түсіндіріледі. Алдын ала болжам бойынша, аккумулятор әлі зертханалық сатыда және қысқа мерзімде жаппай шығару қиынға соғады.

Қатты күйдегі батареялардың дәстүрлі сұйық литий-ионды батареялардан айырмашылығы - электролиттер мен сепараторлардың орнына қатты электролиттер пайдаланылады. Литий-интеркалацияланған графит анодтарын пайдалану қажет емес. Оның орнына металл литий анод ретінде пайдаланылады, бұл анод материалдарының санын азайтады. Дене энергиясының тығыздығы жоғары (>350 Вт сағ/кг) және ұзақ қызмет ету мерзімі (>5000 цикл), сондай-ақ арнайы функциялар (икемділік сияқты) және басқа талаптары бар қуат батареялары.

Жаңа жүйе батареяларына қатты күйдегі батареялар, литий ағынды батареялар және металл-ауа батареялары кіреді. Үш қатты күйдегі батареяның өз артықшылықтары бар. Полимерлер электролиттер – органикалық электролиттер, ал оксидтер мен сульфидтер – бейорганикалық керамикалық электролиттер.

Жаһандық қатты күйдегі аккумуляторлық компанияларға қарасақ, стартаптар бар, сонымен қатар халықаралық өндірушілер де бар. Компаниялар әртүрлі нанымдармен электролиттік жүйеде жалғыз және технология ағыны немесе интеграция үрдісі жоқ. Қазіргі уақытта кейбір техникалық бағыттар индустрияландыру шарттарына жақын, қатты күйдегі аккумуляторларды автоматтандыруға жол жүруде.

Еуропалық және американдық компаниялар полимерлі және оксидті жүйелерді қалайды. Француздық Bolloré компаниясы полимер негізіндегі қатты күйдегі батареяларды коммерцияландыруда жетекшілік етті. 2011 жылдың желтоқсанында оның электрлік көліктері 30 кВт/сағ қатты күйдегі полимерлі аккумуляторлар + электрлік екі қабатты конденсаторлар арқылы жұмыс істейтін жалпы автомобиль нарығына шықты, бұл әлемде бірінші рет болды. Электрлік көліктерге арналған коммерциялық қатты күйдегі батареялар.

Sakti3, жұқа қабықшалы оксидті қатты күйдегі аккумулятор өндірушісін 2015 жылы британдық тұрмыстық техника алыбы Dyson сатып алды. Ол жұқа қабықшаны дайындау құнына және ауқымды өндірістің қиындығына байланысты, және массасы болған жоқ. ұзақ уақыт өндірістік өнім.

Максвеллдің қатты күйдегі аккумуляторларға арналған жоспары - алдымен шағын батареялар нарығына шығу, оларды 2020 жылы жаппай шығару және оларды 2022 жылы энергияны сақтау саласында пайдалану. Жылдам коммерциялық қолдану үшін Максвелл алдымен жартылай батареяларды қолданып көруді қарастыруы мүмкін. қысқа мерзімде қатты батареялар. Дегенмен, жартылай қатты батареялар қымбатырақ және ең алдымен сұранысқа ие салаларда қолданылады, бұл ауқымды қолданбаларды қиындатады.

Жұқа қабықсыз оксид өнімдері тамаша жалпы өнімділікке ие және қазіргі уақытта әзірлеуде танымал. Тайваньдық Хуэнэн де, Цзянсу Циндао да осы жолда танымал ойыншылар.

Жапондық және корейлік компаниялар сульфидтік жүйені индустрияландыру мәселелерін шешуге көбірек белсене кіріседі. Toyota және Samsung сияқты өкілдік компанияларды орналастыруды жылдамдатты. Сульфидті қатты күйдегі аккумуляторлар (литий-күкіртті аккумуляторлар) жоғары энергия тығыздығы мен төмен құнына байланысты орасан зор даму әлеуетіне ие. Олардың ішінде Toyota компаниясының технологиясы ең озық. Ол ампер деңгейіндегі Демо батареяларды және электрохимиялық өнімділікті шығарды. Сонымен бірге олар үлкенірек батарея жинағын дайындау үшін электролит ретінде бөлме температурасының өткізгіштігі жоғары LGPS-ті де пайдаланды.

Жапония жалпыұлттық ғылыми-зерттеу және дамыту бағдарламасын бастады. Ең перспективалы альянс – Toyota және Panasonic (Toyota-да қатты денелі батареяларды әзірлеумен айналысатын 300-ге жуық инженер бар). Ол бес жыл ішінде қатты күйдегі батареяларды коммерцияландыратынын айтты.

Toyota және NEDO әзірлеген толық қатты күйдегі батареяларды коммерцияландыру жоспары бар LIB жақсы және зиянды материалдарды пайдалана отырып, қатты күйдегі батареяларды (бірінші ұрпақ батареялары) әзірлеуден басталады. Осыдан кейін ол энергия тығыздығын арттыру үшін жаңа оң және теріс материалдарды пайдаланады (келесі ұрпақ батареялары). Toyota 2022 жылы қатты денелі электр көліктерінің прототиптерін шығарады деп күтілуде және ол 2025 жылы кейбір модельдерде қатты күйдегі батареяларды пайдаланады. 2030 жылы жаппай өндіріс қолданбаларына қол жеткізу үшін энергия тығыздығы 500 Вт сағ/кг жетуі мүмкін.

Патенттер тұрғысынан алғанда, қатты денелі литий батареяларына патентке өтінім берген 20 үздіктің ішінде жапон компаниялары 11 болды. Toyota ең көп өтінім беріп, 1,709-ға жетті, бұл екінші Panasonic-тен 2.2 есе көп. Үздік 10 компанияның барлығы жапондық және оңтүстік кореялық, соның ішінде Жапонияда 8 және Оңтүстік Кореяда 2 компания.

Патент иеленушілердің жаһандық патенттік схемасы тұрғысынан Жапония, АҚШ, Қытай, Оңтүстік Корея және Еуропа негізгі елдер немесе аймақтар болып табылады. Жергілікті қосымшалардан басқа, Toyota Америка Құрама Штаттарында және Қытайда өтінімдердің ең маңызды санына ие, сәйкесінше патентке өтінімдердің жалпы санының 14.7% және 12.9% құрайды.

Менің елімде қатты күйдегі аккумуляторларды индустрияландыру да тұрақты түрде зерттелуде. Қытайдың техникалық маршрут жоспарына сәйкес, 2020 жылы ол бірте-бірте қатты электролит, жоғары ерекше энергия катодты материал синтезі және үш өлшемді рамалық құрылымды литий қорытпасының құрылыс технологиясын жүзеге асырады. Ол 300 Вт сағ/кг шағын сыйымдылығы бар жалғыз аккумулятор үлгісін өндіруді таниды. 2025 жылы қатты күйдегі батарея интерфейсін басқару технологиясы 400 Вт/кг үлкен сыйымдылығы бар жалғыз аккумулятор үлгісін және топтық технологияны жүзеге асырады. Қатты күйдегі аккумуляторлар мен литий-күкіртті аккумуляторлар 2030 жылы жаппай өндіріліп, алға жылжуы мүмкін деп күтілуде.

CATL компаниясының IPO фандрейзинг жобасындағы келесі ұрпақ батареяларына қатты күйдегі батареялар кіреді. NE Times хабарлауынша, CATL кем дегенде 2025 жылға қарай қатты күйдегі батареяларды жаппай өндіруге қол жеткізеді деп күтеді.

Тұтастай алғанда, полимерлік жүйе технологиясы ең жетілген және EV деңгейіндегі алғашқы өнім дүниеге келді. Оның концептуалды және перспективалық сипаты кешігіп келгендердің ғылыми-зерттеу және тәжірибелік-конструкторлық жұмыстарға инвестицияларын жеделдетуге түрткі болды, бірақ өнімділіктің жоғарғы шегі өсуді шектейді, ал бейорганикалық қатты электролиттермен композиция болашақта ықтимал шешім болады; тотығу; Материалдық жүйеде жұқа пленка түрлерін дамыту қуаттылықты кеңейтуге және ауқымды өндіріске бағытталған, ал пленка емес түрлердің жалпы көрсеткіштері жақсырақ, бұл қазіргі зерттеулер мен тәжірибелердің назарында; сульфидтік жүйе электрлі көліктер саласындағы ең перспективалы қатты күйдегі аккумуляторлық жүйе болып табылады, бірақ өсу және жетілмеген технология үшін массивтік бөлме бар поляризацияланған жағдайда қауіпсіздік мәселелері мен интерфейс мәселелерін шешу болашақтың назарында.

Қатты күйдегі батареялармен кездесетін қиындықтарға негізінен мыналар жатады:

• Шығындарды азайту.
• Қатты электролиттердің қауіпсіздігін арттыру.
• Зарядтау және разрядтау кезінде электродтар мен электролиттер арасындағы байланысты сақтау.

Литий-күкіртті аккумуляторлар, литий-ауа және басқа жүйелер батарея құрылымының барлық жақтауын ауыстыруды қажет етеді және одан да маңызды мәселелер бар. Қатты күйдегі аккумуляторлардың оң және теріс электродтары ағымдағы жүйені пайдалануды жалғастыра алады және іске асыру қиындығы салыстырмалы түрде аз. Жаңа буын батареясының технологиясы ретінде қатты күйдегі батареялар жоғары қауіпсіздік пен энергия тығыздығына ие және литийден кейінгі дәуірде жалғыз жол болады.