Твердотельная батарея – это тип батареи, использующий твердые электроды и твердый электролит вместо жидких или полимерных гелевых электролитов, применяемых в обычных литий-ионных или литий-полимерных батареях. У твердотельных батарей есть потенциал предложить более высокую энергетическую плотность, более быструю зарядку, более длительный цикл работы и улучшенную безопасность по сравнению с жидкостными батареями.
Принцип работы твердотельных батарей
Основной принцип твердотельной батареи подобен принципу литий-ионной батареи. Оба типа батарей основаны на перемещении литиевых ионов между положительными и отрицательными электродами во время зарядки и разрядки. Разница заключается в том, что в твердотельной батарее электролит, обеспечивающий это перемещение, является твердым материалом, таким как керамика, полимер или стекло.
Выбор твердого электролита имеет решающее значение для производительности и безопасности твердотельной батареи. Твердый электролит должен обладать высокой ионной проводимостью, то есть способностью легко пропускать литиевые ионы через себя. Он также должен иметь высокую химическую и механическую стабильность, то есть выдерживать высокие напряжения, температуры и давление без разрушения или трещин. Кроме того, он должен быть совместим с электродами, образуя стабильные интерфейсы с ними без вызывания нежелательных реакций или побочных эффектов.
Преимущества и недостатки твердых электролитов
Твердые электролиты — многообещающее направление в разработке передовых аккумуляторов. Рассмотрим их ключевые достоинства и нерешенные проблемы.
Преимущества
- Главное достоинство твердых электролитов — повышенная безопасность по сравнению с традиционными жидкими. Отсутствие летучих и горючих компонентов сводит к минимуму риск возгорания и взрыва. Кроме того, твердые электролиты не допускают утечек и испарения, предотвращая короткие замыкания.
- Еще один плюс — возможность создания компактных и мощных аккумуляторов с высокой емкостью и плотностью энергии. Использование твердых электролитов позволяет применять передовые электродные материалы и сокращать долю неактивных компонентов.
- Наконец, твердые электролиты открывают путь к быстрой зарядке и долговечности батарей. Они снижают внутреннее сопротивление и поляризацию, а также предотвращают образование дендритов, продлевая срок службы аккумуляторов.
Недостатки
Однако широкое применение твердых электролитов пока сдерживается рядом нерешенных проблем.
- Главная — подбор оптимальных материалов, сочетающих высокую проводимость, стабильность и совместимость с электродами. Существующие варианты не удовлетворяют всем требованиям.
- Еще одно препятствие — обеспечение надежных контактов и целостности в твердотельных аккумуляторах. В отличие от жидких электролитов, твердые чрезвычайно чувствительны к дефектам на границах раздела.
Таким образом, несмотря на многообещающие перспективы, твердые электролиты нуждаются в дальнейших исследованиях для преодоления существующих ограничений. Их успешное внедрение позволит совершить прорыв в производительности и безопасности перезаряжаемых батарей
Какие бывают типы твердотельных батарей
Существуют разные типы твердотельных батарей в зависимости от типа твердого электролита, который они используют, такие как керамические, полимерные и стеклянные твердотельные батареи.
Керамические твердотельные батареи
Керамические твердотельные батареи используют керамические материалы в качестве твердого электролита. Керамические материалы обычно состоят из металлических оксидов, сульфидов, фосфатов или нитридов. Они имеют высокую термическую стабильность и химическую инертность, что делает их устойчивыми к высоким температурам и коррозионной среде. Однако у них также низкая ионная проводимость при комнатной температуре и высокая хрупкость, что делает их подверженными трещинам при механических нагрузках.
Одним из примеров керамической твердотельной батареи является батарея, разработанная Камая и др. в 2011 году, которая использовала твердый электролит из литий-германий-фосфор-сульфида (LGPS). Этот материал достигал объемной ионной проводимости 12 мС/см при комнатной температуре, что выше, чем у большинства жидких электролитов. В батарее также использовался литиевый металлический анод и катод из оксида лития и кобальта, и продемонстрировал хорошую цикличность и стабильность.
Полимерные твердотельные батареи
Полимерные твердотельные батареи используют полимерные материалы в качестве твердого электролита. Полимерные материалы обычно состоят из длинных цепочек органических молекул, которые могут быть гибкими и упругими. У них высокая механическая прочность и пластичность, что позволяет им выдерживать деформации и вибрации. Однако у них также низкая термическая стабильность и химическая устойчивость, что делает их подверженными разрушениям и распаду при высоких температурах и во влажной среде.
Одним из примеров полимерной твердотельной батареи является батарея, разработанная национальной лабораторией Оук-Ридж в 1990-х годах, которая использовала твердый электролит из окси-азотида лития-фосфора (LiPON).
Этот материал имел структуру тонкой пленки, которая могла быть нанесена на различные подложки методом распыления. У него была умеренная ионная проводимость 0,5 мС/см при комнатной температуре, но также отличная стабильность и совместимость с литиевыми металлическими электродами. Батарея успешно использовалась для создания тонкопленочных литий-ионных батарей для применений, таких как кардиостимуляторы, RFID и носимые устройства.
Стеклянные твердотельные батареи
Стеклянные твердотельные батареи используют стеклянные материалы в качестве твердого электролита. Стеклянные материалы обычно представляют собой аморфные или некристаллические структуры, которые могут обладать высокой ионной проводимостью и низкой энергией активации для транспорта ионов. Они также могут иметь высокую прозрачность и оптические свойства, что делает их подходящими для применений, таких как интеллектуальные окна или дисплеи. Однако у них также низкая механическая прочность и высокая хрупкость, что делает их уязвимыми для трещин или разрушения при ударе или механическом напряжении.
Одним из примеров стеклянной твердотельной батареи является батарея, разработанная Гуденовым и др. в 2017 году, которая использовала твердый электролит из стекло-керамического материала на основе лития, лантана, циркония, кислорода и галогенов (LLZO). У этого материала была сложная структура, объединяющая преимущества стеклянных и керамических материалов. Он имел высокую ионную проводимость 10 мС/см при комнатной температуре, а также высокую стабильность и совместимость с литиевыми металлическими электродами. Батарея также использовала серный катод и показала высокую энергетическую плотность и возможность быстрой зарядки.
Заключение
Твердотельные батареи представляют собой многообещающую технологию, которая может предложить множество преимуществ по сравнению с обычными жидкостными батареями, такие как более высокая энергетическая плотность, более быстрая зарядка, более длительный цикл работы и улучшенная безопасность. Однако перед их широким внедрением стоит решить множество проблем, таких как поиск подходящих материалов, производство надежных батарей и снижение издержек.
Существуют разные типы твердотельных батарей в зависимости от типа твердого электролита, который они используют, такие как керамические, полимерные и стеклянные твердотельные батареи. Каждый тип имеет свои преимущества и недостатки, и может быть подходящим для различных применений.
Твердотельные батареи все еще находятся на ранних стадиях разработки и коммерциализации, но они привлекают значительное внимание и инвестиции от различных заинтересованных сторон, таких как исследователи, производители и потребители. Поскольку спрос на более высокую производительность и безопасность батарей продолжает расти, особенно на рынке электромобилей, твердотельные батареи могут стать технологией следующего поколения, способной удовлетворить потребности современных инноваций.
