Yn y don gyfredol o ddatblygiad egnïol technolegau ynni newydd, mae batri cyflwr solid, fel technoleg batri cenhedlaeth nesaf addawol iawn, wedi denu sylw helaeth o bob cefndir. Wrth i ofynion pobl ar gyfer dygnwch dyfeisiau electronig ac ystod yrru cerbydau trydan barhau i gynyddu, ac mae eu pwyslais ar berfformiad diogelwch batri yn tyfu o ddydd i ddydd, rhagwelir yn fawr y bydd batri cyflwr solid yn mynd i'r afael â llawer o bwyntiau poen batris lithiwm-ion hylif traddodiadol o ran diogelwch ac ystod. Fodd bynnag, cyn ei boblogeiddio a'i gymhwyso ar raddfa fawr, mae cwestiwn allweddol yn gorwedd ym meddyliau defnyddwyr: A yw batri cyflwr solid yn ddiogel ac yn gallu darparu ystod hir? I ateb y cwestiwn hwn, mae angen i ni ymchwilio i fecanwaith gweithio, nodweddion technegol, a statws ymchwil a chymhwyso cyfredol batris cyflwr solid.
Egwyddor weithredol a nodweddion strwythurol batri cyflwr solid
Mae'r gwahaniaeth craidd rhwng batri cyflwr solid a batri lithiwm-ion hylif traddodiadol ar ffurf electrolyt. Mae batris lithiwm-ion hylif traddodiadol yn cyflogi electrolyt hylif i gyflawni'r broses gwefru a gollwng trwy symud ïonau lithiwm rhwng yr electrodau positif a negyddol. Mewn cyferbyniad, mae batris cyflwr solid yn defnyddio electrolyt solet, sydd fel rheol wedi'i wneud o ddeunyddiau cerameg, polymer neu sylffid. Mewn batris cyflwr solid, mae ïonau lithiwm hefyd yn dadosod o'r electrod positif wrth wefru a rhyng-gladdu i'r electrod negyddol trwy'r electrolyt solet; Wrth ollwng, maent yn symud i'r cyfeiriad arall, tra bod electronau'n llifo o'r electrod negyddol i'r electrod positif trwy'r gylched allanol, gan gynhyrchu cerrynt i bweru'r ddyfais.
Mae'r defnydd o electrolyt solet yn gorffen batris cyflwr solid gyda nodweddion strwythurol unigryw. O'i gymharu ag electrolyt hylif, sy'n gofyn am wahanydd i atal cylched byr rhwng yr electrodau positif a negyddol, mae gan electrolyt solid ei hun swyddogaethau deuol dargludiad ïon ac ynysu electrod, gan wneud strwythur y batri yn fwy cryno. Yn y cyfamser, mae electrolyt solet yn arddangos sefydlogrwydd uwch ac mae'n llai tueddol o anwadaliad a gollwng, gan osod sylfaen ar gyfer gwell perfformiad diogelwch batri.
Perfformiad diogelwch batri cyflwr solid
Mae batris lithiwm-ion hylif traddodiadol yn peri risg o ffo thermol o dan amodau tymheredd uchel. Pan fydd tymheredd y batri yn fwy na throthwy penodol, fel 80 gradd, gall yr electrolyt hylif ddadelfennu i gynhyrchu nwyon fflamadwy, ac mae adweithiau ochr yn y batri yn dwysáu, gan arwain at grynhoad cyflym o wres ac yn y pen draw achosi i'r batri fynd ar dân neu hyd yn oed ffrwydro. Mae data gan Asiantaeth Profi Tüv yr Almaen yn datgelu'r perygl cudd hwn yn glir.
Mae batris cyflwr solid yn dangos manteision sylweddol mewn sefydlogrwydd thermol. Oherwydd absenoldeb cydrannau hylif anweddol a fflamadwy mewn electrolyt solet, mae ei sefydlogrwydd thermol yn llawer uwch nag electrolyt hylif. Mae'r prawf puncture a gynhelir gan y Sefydliad Datblygu Ynni a Thechnoleg Diwydiannol newydd (NEDO) Japan yn drawiadol: pan fydd nodwydd ddur yn pentyrru batri cyflwr solid, dim ond 2 radd y mae tymheredd y batri yn codi, tra bydd batri lithiwm-ion hylif traddodiadol yn mynd ar dân ac yn ffrwydro o fewn 3 eiliad yn unig. Mae'r canlyniad arbrofol hwn yn dangos diogelwch uwch batris cyflwr solid yn wyneb cam-drin mecanyddol eithafol.
Mewn papur o'r enw "A yw batris cyflwr solid yn fwy diogel na batris lithiwm-ion (hylif)?" Wedi'i gyhoeddi mewn gwyddoniaeth ym mis Ebrill 2022, trafododd ymchwilwyr y rhyddhau gwres a therfynau codiad tymheredd batris lithiwm-ion hylif, batris lled-solid gyda swm penodol o electrolyt, a batris holl-solid-wladwriaeth o dan dair senarios thermol ar ffo thermol. Canfu'r astudiaeth, yn y wladwriaeth ffo thermol a achosir gan wres allanol, batris holl-solet-wladwriaeth yn perfformio'n well na batris lithiwm-ion lled-solid a hylifol. Gall dwysedd uchel electrolyt solet mewn batris holl-solid-wladwriaeth ffurfio rhwystr nwy effeithiol, gan atal cyswllt rhwng lithiwm ar yr electrod negyddol ac ocsigen a ryddhawyd o'r electrod positif. Yn y senario damcaniaethol hwn, ni fyddai unrhyw ryddhad gwres yn sylweddol.
Gwahardd twf dendrite lithiwm
Yn ystod y broses gwefru a gollwng batris lithiwm-ion hylif traddodiadol, gall ïonau lithiwm grisialu'n uniongyrchol ar wyneb yr electrod negyddol yn ystod gwefru cyflym, gan ffurfio dendrites lithiwm peryglus. Mae twf dendrites lithiwm nid yn unig yn arwain at bydredd capasiti batri ond gall hefyd dyllu'r gwahanydd, gan achosi cylched fer rhwng yr electrodau positif a negyddol a sbarduno digwyddiad diogelwch. Datgelwyd y perygl cudd hwn gan beirianwyr o CATL.
Mae batris cyflwr solid yn dangos potensial wrth atal twf dendrite lithiwm. Gall strwythur a phriodweddau arbennig electrolyt solet ddarparu llwybr mwy unffurf ar gyfer mudo ïon lithiwm, gan leihau'r posibilrwydd o ffurfio dendrite lithiwm. Er bod dileu twf dendrite lithiwm yn llwyr yn dal i beri heriau mewn cymwysiadau ymarferol, mae tueddiad gwella batris cyflwr solid yn hyn o beth yn amlwg o gymharu â batris lithiwm-ion hylifol.
Risgiau diogelwch posib
Er gwaethaf nifer o fanteision batris cyflwr solid o ran diogelwch, nid ydynt yn hollol ddiogel. Mewn rhai achosion eithafol, megis pan fydd yr electrolyt solet yn methu neu mae dendrites lithiwm yn treiddio i'r electrolyt solet, gan achosi cylched fer, nid yw diogelwch batris holl-solid-wladwriaeth a batris lled-solid yn rhagori ar ddiogelwch batris lithiwm-ion hylifol. Mae'r Athro Ai Xinping o'r Ysgol Cemeg a Gwyddorau Moleciwlaidd ym Mhrifysgol Wuhan yn tynnu sylw bod yr honiad bod gan fatris cyflwr holl-solid ddwysedd ynni uchel a diogelwch da mewn gwirionedd yn cynnwys sleight cysyniadol o law. Oherwydd y gall rhai deunyddiau mewn batris cyflwr solid gynhyrchu nwyon gwenwynig fel hydrogen sylffid pe bai damwain, er na fyddant yn llosgi pobl yn uniongyrchol fel batris traddodiadol, mae nwy hydrogen sylffid yn wenwynig a gallant achosi niwed difrifol i'r corff dynol.
Potensial batri cyflwr solid mewn amrediad
Mewn theori, mae gan fatris cyflwr solid y potensial i gyflawni dwysedd ynni uchel, y disgwylir iddo wella dygnwch dyfeisiau yn sylweddol. Mae electrolyt solid yn caniatáu defnyddio lithiwm metelaidd pur fel yr electrod negyddol, sy'n cynyddu'r capasiti storio ynni yn sylweddol fesul cyfaint uned. Mae data arbrofol o Sefydliad Bio-Ynni Qingdao a thechnoleg bioprocess Academi Gwyddorau Tsieineaidd yn dangos bod dwysedd ynni eu samplau batri cyflwr solid wedi bod yn fwy na 500Wh\/kg, tra mai dim ond 260Wh\/kg yw dwysedd 500WH\/kg y batri 21700 a ddefnyddir ym Model Tesla.
Gan gymryd cerbydau trydan fel enghraifft, mae ystod yrru bob amser wedi bod yn ganolbwynt i sylw defnyddwyr. Mae batri Kunpeng o Chery, fel cynrychiolydd batris cyflwr solid, yn bwriadu cyflawni dwysedd ynni o 400Wh\/kg yn 2024 a'i gynyddu i 600Wh\/kg yn 2025. Yn ôl y cynllun, pan gafodd ei fasgynhyrchu yn 2027, disgwylir i'r ystod gyrru trydan pur fod yn fwy na 1500km. Os cyflawnir y nodau hyn, bydd yn lleddfu pryder amrediad defnyddwyr cerbydau trydan yn fawr.
Heriau mewn ystod wirioneddol
Fodd bynnag, o'r labordy i gymwysiadau ymarferol, mae batris cyflwr solid yn dal i wynebu rhai heriau o ran ystod. Yn gyntaf, mae'r rhwystriant rhyngwyneb rhwng electrolyt solid ac electrodau yn gymharol amlwg, sy'n debyg i sefydlu bwth doll ar briffordd, gan rwystro trosglwyddiad cyflym ïonau lithiwm yn gyflym ac effeithio ar heffeithlonrwydd gwefru a rhyddhau'r batri, a thrwy hynny effeithio'n andwyol ar yr ystod. Yn ail, mae nam angheuol electrolyt sylffid, sy'n cynhyrchu hydrogen sylffid gwenwynig iawn pan fydd yn agored i ddŵr, nid yn unig yn cynyddu risgiau diogelwch wrth gynhyrchu a defnyddio batri ond hefyd yn gosod heriau difrifol i sefydlogrwydd a dibynadwyedd y batri. Yn ogystal, mae'r cynnyrch isel o baratoi ffilm electrolyt solet yn arwain at gostau cynhyrchu uchel ar raddfa fawr, gan gyfyngu ar gymhwyso batris cyflwr solid yn eang ac effeithio'n anuniongyrchol ar y broses o ddangos eu manteision ystod hir yn y farchnad.
Casgliad a Rhagolwg
I grynhoi, mae batris cyflwr solid yn dangos potensial sylweddol o ran diogelwch ac ystod. O ran diogelwch, mae eu manteision sefydlogrwydd thermol yn amlwg, a gallant atal twf dendrite lithiwm yn effeithiol, gan eu gwneud yn fwy diogel a dibynadwy na batris lithiwm-ion hylif traddodiadol yn y rhan fwyaf o achosion. Fodd bynnag, yn wyneb sefyllfaoedd eithafol fel methiant electrolyt solet, mae rhai risgiau diogelwch o hyd. O ran ystod, mae mantais ddamcaniaethol dwysedd ynni uchel yn darparu'r posibilrwydd ar gyfer ystod hir, ac mae rhai data arbrofol a chynlluniau corfforaethol hefyd yn dangos rhagolygon addawol. Fodd bynnag, mewn cymwysiadau ymarferol, mae materion fel rhwystriant rhyngwyneb, diffygion electrolyt, a chost wedi dod yn rhwystrau sy'n rhwystro gwireddu eu manteision ystod hir yn llawn.
Er gwaethaf wynebu nifer o heriau, mae batris cyflwr solid yn dal i gael eu hystyried yn gyfeiriad datblygu pwysig ar gyfer technolegau batri cenhedlaeth nesaf.