19 ноября 2023 г. (Nanowerk В центре внимания) Литий-ионный аккумулятор стал повсеместным в нашей повседневной жизни, питая все: от смартфонов до электромобилей. Тем не менее, поскольку спрос на аккумуляторы с более высокой плотностью энергии, более быстрым временем зарядки, повышенной безопасностью и более низкими затратами растет, исследователи продолжают расширять границы химии и конструкции аккумуляторов. В новой статье «Перспектива», опубликованной в Передовые Энергетические Материалы («Дорожная карта для твердотельных батарей»), ученые из Института системных и инновационных исследований Фраунгофера и Университета Юстуса Либиха намечают траекторию развития одной из наиболее многообещающих аккумуляторных технологий следующего поколения — твердотельных аккумуляторов.
Графические иллюстрации а) современной литий-ионной батареи с жидким электролитом и б) полностью твердотельной батареи с литий-металлическим анодом. (CC: токосъемник; LE: жидкий электролит, SE: твердый электролит; AAM/CAM: активный материал анода и катода соответственно; LMA: металлический литий-анод). (Перепечатано с разрешения Wiley-VCH Verlag) На протяжении более трех десятилетий инновации в области литий-ионных аккумуляторов постоянно улучшали их характеристики. Но фундаментальные ограничения их жидких электролитов – среды, которая транспортирует ионы лития между анодом и катодом – стали препятствиями на пути дальнейшего прогресса. Легковоспламеняющиеся жидкие электролиты представляют угрозу безопасности, особенно если требуется более высокая плотность энергии. Они также ограничивают жизнеспособные материалы для анода. Графит сегодня доминирует в коммерческих литий-ионных батареях, но новые анодные материалы высокой емкости, такие как металлический литий и кремний, могут обеспечить значительный скачок в плотности энергии в сочетании с негорючим твердым электролитом. Отказ от жидкости в пользу твердого вещества устранит проблемы с воспламеняемостью, позволит использовать литий-металлические или кремниевые аноды и откроет новые возможности для оптимизации аккумуляторов. Но найти подходящие материалы с твердым электролитом оказалось сложно. «Идеального твердого электролита, сочетающего высокую ионную проводимость при комнатной температуре с широкой электрохимической стабильностью, пока не существует», — объясняет доктор Томас Шмальц, старший научный сотрудник Fraunhofer ISI и соавтор статьи. «Задача состоит в том, чтобы объединить все желаемые свойства в одном материале». Это побудило исследователей изучить гибридные системы твердых электролитов, которые сочетают в себе преимущества различных соединений в композитном материале. Ученые Фраунгофера и Юстуса Либиха разрабатывают план развития, основанный на трех основных классах материалов твердых электролитов: полимерах, сульфидах и оксидах. В каждой категории есть компромиссы. Полимеры обеспечивают лучшую эластичность, но теряют ионную проводимость при комнатной температуре. Сульфиды превосходны по проводимости, но обладают узкой электрохимической стабильностью. Оксиды обладают широкой стабильностью, но им не хватает проводимости. Умные комбинации этих материалов открывают перспективный путь к созданию оптимального твердого электролита. «Замена жидкого электролита на катодной стороне твердым является более сложной задачей», — говорит доктор Юрген Янек, директор Центра исследования материалов Университета Юстуса Либиха и соавтор исследования. «Чтобы конкурировать с литий-ионными батареями, твердый катодный электролит в высокопроизводительной твердотельной батарее должен иметь ионную проводимость более 10 мСм/см». Это непростая задача для любого существующего твердого электролита. Но вскоре могут появиться новые открытия материалов и инновации в композитных системах. Исследователи указывают на недавние достижения, такие как открытие Ли в 2020 году.
2SP
2S
5 стекла с проводимостью более 10 мСм/см. Возможно, нас ждут еще сюрпризы. Эксперты Фраунгофера и Юстуса Либиха рассматривают твердотельные батареи не как полную революцию в области аккумуляторов, а, скорее, как следующий шаг в постепенной эволюции. В первых твердотельных батареях, вероятно, будут использоваться катодные материалы, аналогичные современным литий-ионным батареям. «Вполне возможно, что те же катодные активные материалы, которые используются в литий-ионных батареях с жидким электролитом, могут быть использованы или уже реализованы в твердотельных батареях на основе лития», — пишут исследователи. Но сочетание этих катодов с металлическими литиевыми или кремниевыми анодами на основе твердых электролитов может привести к значительному скачку плотности энергии. Их дорожная карта показывает, что твердотельные батареи с литий-металлическими анодами и сульфидными или оксидными твердыми электролитами начнут опытное производство в период между 2025 и 2030 годами. Такие компании, как Toyota, уже сообщили о прототипах, демонстрирующих высокую скорость зарядки, увеличенный цикл цикла и достаточную плотность энергии для применения в электромобилях. , Samsung SDI, SVolt и Solid Power.
Графические иллюстрации перспективных концепций ячеек SSB, основанных на а) автономном сульфидном SE (оранжевый) с LMA, b) автономном сульфидном SE (оранжевый) с кремниевым анодом, c) гибридной установке, содержащей неуказанный SE в качестве католита и сепаратора (фиолетовый), и изображающие тенденция к добавлению определенных количеств жидкостей или гелей (бирюзовый католит), d) сепаратор оксида SE (синий) с неоксидным католитом (неуказанный, фиолетовый) и e) автономный полимер SE (зеленый) с LMA. (CC: токосъемник; SE: твердый электролит; CAM: активный материал катода; LMA: литий-металлический анод; NMC: LiNi1-x-yMnxCoyO2; ЛФП: ЛиФеПО4.) (Перепечатано с разрешения Wiley-VCH Verlag) Более постепенные шаги включают гибридные твердо-жидкостные батареи, которые включают небольшое количество жидкого электролита для улучшения проводимости и межфазного контакта. Это немного снижает безопасность, но улучшает технологичность. Исследователи ожидают, что гибридные концепции достигнут значительных масштабов производства в ближайшие несколько лет в качестве промежуточного решения. Но создание полностью твердотельных литий-металлических батарей остается долгосрочной целью. Они сталкиваются с серьезными производственными препятствиями в масштабах массового рынка, а также с оставшимися без ответа научными вопросами, касающимися подавления дендритов и адгезии электролитов. Тем не менее, события развиваются стремительно. «Индустрия сейчас развивается быстрыми темпами: уже сделаны объявления о производственной мощности почти в 300 ГВтч», — отмечают исследователи. Они не ожидают, что твердотельные батареи немедленно вытеснят литий-ионные, но видят, что они будут постепенно увеличивать свою долю рынка в течение следующего десятилетия. Благодаря постоянному прогрессу исследований, производственному прогрессу и дисциплинированному проектированию твердотельные батареи могут стать высокоэнергетическими наследниками сегодняшнего литий-ионного трона.
Графические иллюстрации а) современной литий-ионной батареи с жидким электролитом и б) полностью твердотельной батареи с литий-металлическим анодом. (CC: токосъемник; LE: жидкий электролит, SE: твердый электролит; AAM/CAM: активный материал анода и катода соответственно; LMA: металлический литий-анод). (Перепечатано с разрешения Wiley-VCH Verlag) На протяжении более трех десятилетий инновации в области литий-ионных аккумуляторов постоянно улучшали их характеристики. Но фундаментальные ограничения их жидких электролитов – среды, которая транспортирует ионы лития между анодом и катодом – стали препятствиями на пути дальнейшего прогресса. Легковоспламеняющиеся жидкие электролиты представляют угрозу безопасности, особенно если требуется более высокая плотность энергии. Они также ограничивают жизнеспособные материалы для анода. Графит сегодня доминирует в коммерческих литий-ионных батареях, но новые анодные материалы высокой емкости, такие как металлический литий и кремний, могут обеспечить значительный скачок в плотности энергии в сочетании с негорючим твердым электролитом. Отказ от жидкости в пользу твердого вещества устранит проблемы с воспламеняемостью, позволит использовать литий-металлические или кремниевые аноды и откроет новые возможности для оптимизации аккумуляторов. Но найти подходящие материалы с твердым электролитом оказалось сложно. «Идеального твердого электролита, сочетающего высокую ионную проводимость при комнатной температуре с широкой электрохимической стабильностью, пока не существует», — объясняет доктор Томас Шмальц, старший научный сотрудник Fraunhofer ISI и соавтор статьи. «Задача состоит в том, чтобы объединить все желаемые свойства в одном материале». Это побудило исследователей изучить гибридные системы твердых электролитов, которые сочетают в себе преимущества различных соединений в композитном материале. Ученые Фраунгофера и Юстуса Либиха разрабатывают план развития, основанный на трех основных классах материалов твердых электролитов: полимерах, сульфидах и оксидах. В каждой категории есть компромиссы. Полимеры обеспечивают лучшую эластичность, но теряют ионную проводимость при комнатной температуре. Сульфиды превосходны по проводимости, но обладают узкой электрохимической стабильностью. Оксиды обладают широкой стабильностью, но им не хватает проводимости. Умные комбинации этих материалов открывают перспективный путь к созданию оптимального твердого электролита. «Замена жидкого электролита на катодной стороне твердым является более сложной задачей», — говорит доктор Юрген Янек, директор Центра исследования материалов Университета Юстуса Либиха и соавтор исследования. «Чтобы конкурировать с литий-ионными батареями, твердый катодный электролит в высокопроизводительной твердотельной батарее должен иметь ионную проводимость более 10 мСм/см». Это непростая задача для любого существующего твердого электролита. Но вскоре могут появиться новые открытия материалов и инновации в композитных системах. Исследователи указывают на недавние достижения, такие как открытие Ли в 2020 году.2SP
2S
5 стекла с проводимостью более 10 мСм/см. Возможно, нас ждут еще сюрпризы. Эксперты Фраунгофера и Юстуса Либиха рассматривают твердотельные батареи не как полную революцию в области аккумуляторов, а, скорее, как следующий шаг в постепенной эволюции. В первых твердотельных батареях, вероятно, будут использоваться катодные материалы, аналогичные современным литий-ионным батареям. «Вполне возможно, что те же катодные активные материалы, которые используются в литий-ионных батареях с жидким электролитом, могут быть использованы или уже реализованы в твердотельных батареях на основе лития», — пишут исследователи. Но сочетание этих катодов с металлическими литиевыми или кремниевыми анодами на основе твердых электролитов может привести к значительному скачку плотности энергии. Их дорожная карта показывает, что твердотельные батареи с литий-металлическими анодами и сульфидными или оксидными твердыми электролитами начнут опытное производство в период между 2025 и 2030 годами. Такие компании, как Toyota, уже сообщили о прототипах, демонстрирующих высокую скорость зарядки, увеличенный цикл цикла и достаточную плотность энергии для применения в электромобилях. , Samsung SDI, SVolt и Solid Power.
Графические иллюстрации перспективных концепций ячеек SSB, основанных на а) автономном сульфидном SE (оранжевый) с LMA, b) автономном сульфидном SE (оранжевый) с кремниевым анодом, c) гибридной установке, содержащей неуказанный SE в качестве католита и сепаратора (фиолетовый), и изображающие тенденция к добавлению определенных количеств жидкостей или гелей (бирюзовый католит), d) сепаратор оксида SE (синий) с неоксидным католитом (неуказанный, фиолетовый) и e) автономный полимер SE (зеленый) с LMA. (CC: токосъемник; SE: твердый электролит; CAM: активный материал катода; LMA: литий-металлический анод; NMC: LiNi1-x-yMnxCoyO2; ЛФП: ЛиФеПО4.) (Перепечатано с разрешения Wiley-VCH Verlag) Более постепенные шаги включают гибридные твердо-жидкостные батареи, которые включают небольшое количество жидкого электролита для улучшения проводимости и межфазного контакта. Это немного снижает безопасность, но улучшает технологичность. Исследователи ожидают, что гибридные концепции достигнут значительных масштабов производства в ближайшие несколько лет в качестве промежуточного решения. Но создание полностью твердотельных литий-металлических батарей остается долгосрочной целью. Они сталкиваются с серьезными производственными препятствиями в масштабах массового рынка, а также с оставшимися без ответа научными вопросами, касающимися подавления дендритов и адгезии электролитов. Тем не менее, события развиваются стремительно. «Индустрия сейчас развивается быстрыми темпами: уже сделаны объявления о производственной мощности почти в 300 ГВтч», — отмечают исследователи. Они не ожидают, что твердотельные батареи немедленно вытеснят литий-ионные, но видят, что они будут постепенно увеличивать свою долю рынка в течение следующего десятилетия. Благодаря постоянному прогрессу исследований, производственному прогрессу и дисциплинированному проектированию твердотельные батареи могут стать высокоэнергетическими наследниками сегодняшнего литий-ионного трона.
By
Майкл
Бергер
- Майкл является автором трех книг Королевского химического общества:
Нано-общество: раздвигая границы технологий,
Нанотехнология: будущее крошечнои
Наноинженерия: навыки и инструменты, делающие технологию невидимой
Все права защищены ©
ООО «Нановерк»
Станьте приглашенным автором Spotlight! Присоединяйтесь к нашей большой и растущей группе приглашенные участники. Вы только что опубликовали научную статью или хотите поделиться другими интересными событиями с сообществом нанотехнологов? Вот как опубликовать на nanowerk.com.
- SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
- PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
- ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
- ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
- ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
- Источник: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64070.php
