Zephyrnet Logosu

Katı hal pilleri ve enerji depolama teknolojilerinin geliştirilmesindeki rolleri

Tarih:

19 Kasım 2023 (Nanowerk Gündemi) Lityum iyon pil, akıllı telefonlardan elektrikli araçlara kadar her şeye güç vererek günlük hayatımızın her yerinde bulunur hale geldi. Ancak daha yüksek enerji yoğunluğuna, daha hızlı şarj sürelerine, gelişmiş güvenliğe ve daha düşük maliyetlere sahip pillere olan talep arttıkça, araştırmacılar pil kimyası ve tasarımının sınırlarını zorlamaya devam ediyor. yılında yayınlanan yeni bir Perspektif makalesinde Gelişmiş Enerji Malzemeleri (“Katı Hal Piller İçin Bir Yol Haritası”), Fraunhofer Sistem ve İnovasyon Araştırma Enstitüsü ve Justus Liebig Üniversitesi'nden bilim adamları, en umut verici yeni nesil pil teknolojilerinden biri olan katı hal pilinin gelişim yörüngesini haritalandırıyor. elektrolit ve b) lityum metal anotlu tamamen katı hal pili. a) sıvı elektrolitli son teknoloji ürünü lityum iyon pilin ve b) lityum metal anotlu tamamen katı hal pilin grafiksel çizimleri. (CC: akım toplayıcı; LE: sıvı elektrolit, SE: katı elektrolit; AAM/CAM: sırasıyla anot ve katot aktif malzemesi; LMA: lityum metal anot). (Wiley-VCH Verlag'ın izniyle yeniden basılmıştır) Lityum iyon pillerdeki yenilikler otuz yılı aşkın süredir performanslarını istikrarlı bir şekilde artırmıştır. Ancak anot ve katot arasında lityum iyonlarını taşıyan ortam olan sıvı elektrolitlerin temel sınırlamaları, daha fazla ilerlemenin önünde engel haline geldi. Yanıcı sıvı elektrolitler, özellikle daha yüksek enerji yoğunlukları hedeflendiğinde güvenlik riskleri oluşturur. Ayrıca anot için uygun malzemeleri de sınırlarlar. Grafit günümüzde ticari lityum iyon pillere hakimdir, ancak lityum metal ve silikon gibi yeni yüksek kapasiteli anot malzemeleri, yanıcı olmayan bir katı elektrolit ile eşleştirildiğinde enerji yoğunluğunda büyük sıçramalar sağlayabilir. Sıvının katı maddeye dönüştürülmesi yanıcılıkla ilgili endişeleri ortadan kaldıracak, lityum metal veya silikon anotların kullanımına olanak sağlayacak ve pil optimizasyonu için yeni olanaklar yaratacaktır. Ancak doğru katı elektrolit malzemeleri bulmanın zor olduğu kanıtlandı. Fraunhofer ISI'da kıdemli bir bilim adamı ve makalenin ortak yazarı Dr. Thomas Schmaltz, "Yüksek oda sıcaklığındaki iyonik iletkenliği geniş elektrokimyasal stabiliteyle birleştiren ideal bir tek katı elektrolit henüz mevcut değil" diye açıklıyor. "Zorluk, istenen tüm özellikleri tek bir malzemede birleştirmektir." Bu, araştırmacıları farklı bileşiklerin avantajlarını kompozit bir malzemede harmanlayan hibrit katı elektrolit sistemlerini keşfetmeye yönlendirdi. Fraunhofer ve Justus Liebig bilim insanları, üç ana katı elektrolit malzeme sınıfına (polimerler, sülfürler ve oksitler) dayanan bir gelişim yol haritası hazırladılar. Her kategorinin takasları vardır. Polimerler daha iyi esneklik sunar ancak oda sıcaklığında iyonik iletkenlik açısından zayıflar. Sülfürler iletkenlik açısından üstündür ancak dar elektrokimyasal stabiliteye sahiptirler. Oksitler geniş bir stabiliteye sahiptir ancak iletkenlikten yoksundur. Bu malzemelerin akıllı kombinasyonları, optimal bir katı elektrolit üretmenin umut verici bir yolu olarak ortaya çıkıyor. Justus Liebig Üniversitesi Malzeme Araştırma Merkezi Direktörü ve çalışmanın ortak yazarı Dr. Jürgen Janek, "Katot tarafındaki sıvı elektroliti katıyla değiştirmek daha büyük bir zorluktur" diyor. "Lityum iyon pillerle rekabet edebilmek için, yüksek performanslı bir katı hal pilindeki katı katot elektrolitin 10 mS/cm'nin üzerinde iyonik iletkenliğe ihtiyacı vardır." Bu, mevcut herhangi bir katı elektrolit malzeme için oldukça yüksek bir rakamdır. Ancak kompozit sistemlerdeki yeni malzeme keşifleri ve yenilikler yakında bu noktaya gelebilir. Araştırmacılar 2020'de Li'nin keşfi gibi son gelişmelere dikkat çekiyor
2SP
2S
5 10 mS/cm'yi aşan iletkenlik sunan camlar. Daha başka sürprizler de olabilir. Fraunhofer ve Justus Liebig uzmanları, katı hal pilleri tam bir pil devrimi olarak değil, kademeli evrimin bir sonraki adımı olarak görüyorlar. İlk katı hal pilleri muhtemelen günümüzün lityum iyon pillerine benzer katot malzemeleri kullanacak. Araştırmacılar, "Lityum iyon pillerde sıvı elektrolitlerle birlikte kullanılan katot aktif malzemelerin aynısının, lityum bazlı katı hal piller için de düşünülmesi veya halihazırda bu pillerde kullanılmış olması oldukça olası" diye yazıyor. Ancak bu katotları, katı elektrolitlerin sağladığı lityum metal veya silikon anotlarla eşleştirmek, enerji yoğunluğunda önemli sıçramalara yol açabilir. Yol haritaları, lityum metal anotlara ve sülfit veya oksit katı elektrolitlere sahip katı hal pillerin 2025 ile 2030 yılları arasında pilot üretime ulaşacağını gösteriyor. Elektrikli araç uygulamaları için yüksek şarj oranları, uzun çevrim süresi ve yeterli enerji yoğunluğu sergileyen prototipler Toyota gibi şirketler tarafından zaten rapor edilmiş durumda. , Samsung SDI, SVolt ve Katı Güç. elektrolit ve b) lityum metal anotlu tamamen katı hal pili. a) LMA'lı bağımsız sülfit SE (turuncu), b) silikon anotlu bağımsız sülfit SE (turuncu), c) katolit ve ayırıcı (mor) olarak belirtilmemiş SE içeren hibrit düzeneği temel alan gelecek vaat eden SSB hücre konseptlerinin grafik çizimleri ve belirli miktarlarda sıvı veya jel (turkuaz katolit) ekleme eğilimi, d) oksit olmayan katolitli oksit SE ayırıcı (mavi) (belirtilmemiş, mor) ve e) LMA'lı bağımsız polimer SE (yeşil). (CC: akım toplayıcı; SE: katı elektrolit; CAM: katot aktif malzemesi; LMA: lityum metal anot; NMC: LiNi1−x−yMnxCoyO2; LFP: LiFePO4.) (Wiley-VCH Verlag'ın izniyle yeniden basılmıştır) Daha fazla artımlı adım, iletime ve arayüzey temasına yardımcı olmak için az miktarda sıvı elektrolit içeren hibrit katı-sıvı pilleri içerir. Bunlar güvenliği biraz tehlikeye atıyor ancak üretilebilirliği artırıyor. Araştırmacılar, geçici bir çözüm olarak hibrit konseptlerin önümüzdeki birkaç yıl içinde dikkate değer bir üretim ölçeğine ulaşmasını bekliyor. Ancak tamamen katı hal lityum metal piller uzun vadeli hedef olmaya devam ediyor. Bunlar, kitlesel pazar ölçeğinde göz korkutucu üretim engellerinin yanı sıra dendrit baskılanması ve elektrolit yapışması ile ilgili cevaplanmamış bilimsel sorularla karşı karşıyadır. Yine de gelişmeler hızlı. Araştırmacılar, "Sektör şu anda hızlı bir şekilde hareket ediyor ve neredeyse 300 GWh'lik bir üretim kapasitesine ilişkin duyurular zaten yapılmış durumda" dedi. Katı hal pillerin hemen lityum iyonun yerini almasını beklemiyorlar ancak önümüzdeki on yılda istikrarlı bir şekilde pazar payı kazandıklarını görüyorlar. Devam eden araştırma ilerlemesi, üretim ilerlemeleri ve disiplinli mühendislik sayesinde katı hal piller, günümüzün lityum iyon tahtının yüksek enerjili varisi olmaya hazırlanıyor.


Michael Berger
By

Michael
Berger



– Michael, Royal Society of Chemistry tarafından yazılan üç kitabın yazarıdır:
Nano-Toplum: Teknolojinin Sınırlarını Zorlamak,
Nanoteknoloji: Gelecek Küçük, ve
Nano-mühendislik: Teknolojiyi Görünmez Yapan Beceri ve Araçlar
Telif Hakkı ©


Nanowerk LLC

Spotlight konuk yazarı olun! Geniş ve büyüyen grubumuza katılın konuk katkıda bulunanlar. Nanoteknoloji topluluğuyla paylaşmak için bilimsel bir makale yayınladınız mı veya başka heyecan verici gelişmeleriniz mi var? Nanowerk.com'da nasıl yayınlayacağınız burada.

spot_img

En Son İstihbarat

spot_img