Ενέργεια
Η Εργασία Συνεχίζεται στις Μπαταρίες Στερεάς Κατάστασης καθώς οι Ερευνητές Εστιάζουν στα Βασικά
Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης, οι οποίες χρησιμοποιούνται σε smartphones, εργαλεία και ηλεκτρικά οχήματα, διαφέρουν από τις μπαταρίες Li-ion στην χρήση ηλεκτρολυτών. Ενώ μια μπαταρία Li-ion χρησιμοποιεί υγρό ηλεκτρολύτη, μια μπαταρία στερεάς κατάστασης χρησιμοποιεί στερεό ηλεκτρολύτη.
Στην περίπτωση των μπαταριών Li-ion, υπάρχει ένας διαχωριστής για να κρατάει τον καθετήρα και τον άνοδο χωριστά. Στις μπαταρίες στερεάς κατάστασης, ο στερεός ηλεκτρολύτης παίζει το ρόλο του διαχωριστή επίσης.
Αν και αυτά είναι απλές διαφορές, η επιστημονική και τεχνολογική κοινότητα ανέπτυξε μπαταρίες στερεάς κατάστασης επειδή έχουν βελτιωμένη σταθερότητα με eine στερεή δομή και αυξημένη ασφάλεια. Συνεχίζουν να εργάζονται πάνω σε αυτές τις μπαταρίες επειδή διατηρούν τη μορφή τους ακόμη και αν ο ηλεκτρολύτης υποστεί ζημιά.
Μια μπαταρία στερεάς κατάστασης έρχεται με υψηλότερη πυκνότητα ενέργειας και σχεδόν δεν υπάρχει κίνδυνος έκρηξης ή πυρκαγιάς. Επειδή δεν απαιτεί την υποστήριξη των компонентов ασφαλείας, υπάρχει περισσότερος χώρος για την εισαγωγή ενεργών υλικών, αυξάνοντας τη χωρητικότητα της μπαταρίας. Η βελτιωμένη πυκνότητα ενέργειας εξασφαλίζει επίσης ότι η ανάγκη για μπαταρίες παραμένει χαμηλή, με αποτέλεσμα ένα βέλτιστο σύστημα μπαταριών για το ηλεκτρικό όχημα.
Για αυτά τα οφέλη, κυρίως, οι ειδικοί της αγοράς πιστεύουν ότι οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης θα αναδυθούν ως game changer στην κατασκευή ηλεκτρικών οχημάτων που ανταγωνίζονται τα οχήματα με εσωτερική καύση και τελικά θα προχωρήσουν στο ράλι. Αλλά αυτό δεν σταματά τους ερευνητές από το να εξερευνούν πώς οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης θα μπορούσαν να γίνουν πιο χρήσιμες. Σε μια τέτοια έρευνα, οι επιστήμονες έχουν υποστηρίξει την περίπτωση μιας μπαταρίας στερεάς κατάστασης με υψηλή πυκνότητα ενέργειας και υπέρ-λεπτού Li μέταλλο, που ενεργοποιείται από einen Li2CO3-αποδεκτό γαρνέτα-τύπου στερεό ηλεκτρολύτη.
Ενώ όλα αυτά μπορεί να ακούγονται πολύ τεχνικά, στο επόμενο τμήμα, θα εμβαθύνουμε sâu hơn στην κατανόηση του τι προτίθεται να επιτύχει η έρευνα!
Ενεργοποίηση Μιας Υπέρ-Λεπτής Λιθίου Μέταλλο Μπαταρίας Στερεάς Κατάστασης Με Υψηλή Σταθερότητα Και Πυκνότητα Ενέργειας
Ο καθηγητής Byoungwoo Kang και ο Δρ Abin Kim από το Τμήμα Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών στο POSTECH ανέπτυξαν einen στερεό ηλεκτρολύτη που επιτρέπει μια υπέρ-λεπτή λιθίου μέταλλο μπαταρία στερεάς κατάστασης με υψηλή σταθερότητα και πυκνότητα ενέργειας.
Η καινοτομία που επιτεύχθηκε είχε ως αποτέλεσμα την επίλυση ενός από τα πιο κοινά προβλήματα που αντιμετωπίζουν οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης. Ποιο ήταν το πρόβλημα αυτό και πώς θα μπορούσε να επιλυθεί; Ας δούμε μια πιο sâuμερή ματιά σε αυτό παρακάτω!
Το LLZO Πρόβλημα
Ο γαρνέτα-τύπος στερεός ηλεκτρολύτης που χρησιμοποιείται στις μπαταρίες στερεάς κατάστασης, ο οποίος είναι επίσης γνωστός ως Li7La3Zr2O12 ή LLZO, έχει υψηλή ιονική αγωγιμότητα. Ταυτόχρονα, είναι επίσης υψηλά αντιδραστικός και σχηματίζει ένα στρώμα ρύπανσης (Li2CO3) στην επιφάνειά του όταν εκτίθεται στον αέρα. Αυτό το στρώμα έρχεται με πολλά μειονεκτήματα ή εμπόδια, συμπεριλαμβανομένης της δημιουργίας ενός αντιαγωγικού εμποδίου στη διαδικασία κατασκευής, μείωσης της επαφής και των διεπαφών των ηλεκτρολυτών και αντιδραστών, κ.λπ.
Η καινοτομία ανέλαβε αυτό το εμπόδιο και το γύρισε αναποδογυριστά, εστιάζοντας στις εσωτερικές απαραιτήτες αντί να εργάζεται μια εξωτερική θεραπεία. Οι ερευνητές ανέπτυξαν μια τεχνολογία AH-LLZO (αερο-χερσαία LLZO) που θα μπορούσε να ενισχύσει ταυτόχρονα την επιφάνεια και τις εσωτερικές ιδιότητες του LLZO και να αποτρέψει τη δημιουργία ρυπαντικών στρωμάτων.
Επιτύχαιναν τον στόχο τους αναπτύσσοντας μια νέα υδροφοβική ένωση (Li-Al-O) στην επιφάνεια και στο εσωτερικό του υλικού. Αυτή η ένωση απέτρεψε τη ρύπανση από την εσωτερική διάδοση, κάνοντας το στρώμα να αντιδράσει μόνο με την υγρασία του αέρα.
Το στρώμα ως λύση με βελτιωμένες επαφικές και υγροσκοπικές ιδιότητες οδήγησε επίσης στην ανάπτυξη υπέρ-λεπτών λιθίου μπαταριών στερεάς κατάστασης, περίπου ένα δέκατο του πάχους ενός ανθρώπινου μαλλιού.
Κάντε κλικ εδώ για τη λίστα των δέκα καλύτερων μετοχών μπαταριών για επένδυση.
Γιατί θεωρείται η έρευνα μια καινοτομία;
Τα αποτελέσματα οδήγησαν σε μια κατάσταση όπου είναι δυνατή η προετοιμασία υπέρ-λεπτών λιθίου μεταλλικών στρωμάτων, με αποτέλεσμα μια μικρή αναλογία χωρητικότητας του ανόδου προς τον καθετήρα, περίπου 0,176 στις μπαταρίες στερεάς κατάστασης.
Το πείραμα επιτρέπει επίσης μια σημαντική μείωση της ποσότητας του λιθίου που χρησιμοποιείται, μειώνοντας το συνολικό βάρος και όγκο της μπαταρίας και βελτιώνοντας σημαντικά την πυκνότητα ενέργειας.
Εάν εφαρμοστεί, η έρευνα και τα ευρήματά της θα επιτρέψουν την αποθήκευση στον αέρα χωρίς την ανάγκη για ειδική χειρισμό ή εγκαταστάσεις. Εκτός από την απλοποίηση της ολόκληρης διαδικασίας, η καινοτομία οδηγεί στην παραγωγή γαρνέτα-τύπου στερεών ηλεκτρολυτών με περισσότερη πρακτική χρησιμότητα.
Ομιλώντας για το μέλλον, ο καθηγητής Byoungwoo Kang ανέφερε:
“Θα συνεχίσουμε να εργαζόμαστε στις υπέρ-λεπτές λιθίου μπαταρίες στερεάς κατάστασης που μπορούν να επιτύχουν υψηλή ασφάλεια και υψηλή πυκνότητα ενέργειας.”
Η έρευνα δείχνει ότι η εστίαση στις απαραιτήτες μπορεί να μας βοηθήσει να μετατρέψουμε τα μειονεκτήματα ενός προϊόντος σε δυνατά του. Οι επιχειρήσεις και οι εμπορικές οντότητες επενδύουν σε έρευνα και πόρους για να κάνουν τις μπαταρίες στερεάς κατάστασης πιο ευνοϊκές και ωφέλιμες για τα μελλοντικά οχήματα. Στα επόμενα τμήματα, κοιτάζουμε τέτοιες εταιρείες και τις καινοτομίες τους.
#1. Solid Power
Μια εταιρεία που κάνει εξαιρετική δουλειά σε αυτόν τον τομέα είναι η Solid Power. Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης της προσφέρουν υψηλή ενέργεια, βελτιωμένη ασφάλεια, μεγαλύτερη διάρκεια ζωής και σημαντικά οφέλη κόστους.
Επιτρέπει την χρήση υψηλότερης χωρητικότητας ηλεκτροδίων όπως υψηλής περιεκτικότητας πυρίτιο και λίθιο, ενώ βελτιώνει τα πρότυπα ασφαλείας με την αφαίρεση των αντιδραστικών και εύφλεκτων υγρών και γелеοειδών συστατικών.
Το αποτέλεσμα είναι εμφανές σε μπαταρίες που μπορούν να αντέξουν και να λειτουργήσουν αποτελεσματικά σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες. Η εταιρεία ισχυρίζεται ότι τα προϊόντα της έχουν ένα πλεονέκτημα κόστους 15-35% σε σχέση με τα πακέτα Li-ion.
Το χαρτοφυλάκιο μπαταριών στερεάς κατάστασης της Solid Power περιλαμβάνει τρία основные προϊόντα: Silicon EV Cells, Lithium Metal cells και Conversion Reaction Cells.
Silicon EV Cell
Έχει ένα άνοδο υψηλής περιεκτικότητας πυρίτιο, το οποίο οδηγεί σε υψηλές ταχύτητες φόρτισης και χαμηλότερες θερμοκρασίες. Η Solid Power χρησιμοποιεί τις ιδιόκτητες θειούχες βάσεις στερεούς ηλεκτρολύτη. Χρησιμοποιεί βιομηχανικά πρότυπα, εμπορικά ώριμα NMC Καθετήρες.
Lithium Metal
Το προϊόν πήρε το όνομά του από τα υψηλής ενέργειας λιθίου μέταλλο άνοδο. Έχει ελαφρώς καλύτερη χωρητικότητα από το Silicon EV cell, το οποίο έχει μια προδιαγραφή 390 Wh/kg, ενώ το Lithium metal cell έχει 440 Wh/kg.
Conversion Reaction Cell
Μεταξύ όλων των προϊόντων στο χαρτοφυλάκιο της Solid Power, έχει την μέγιστη απόδοση 560 wh/kg. Η μοναδικότητά του έγκειται στην υπέρ-χαμηλό κόστος και υψηλή ειδική ενέργεια μετατροπής-τύπου καθετήρα.
Βάσει του Κολοράντο, Ηνωμένες Πολιτείες, η Solid Power πιστεύει ισχυρά στην μετασχηματιστική ικανότητα των μπαταριών της. Πιστεύει ότι οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης θα ανταποκριθούν στις απαιτήσεις όγκου και κόστους των OEM.
(SLDP )
Στην τελευταία διαθέσιμη παρουσίαση επενδυτών, η εταιρεία (Nasdaq: SLDP) ισχυρίζεται ότι είναι η μόνη δημόσια traded αληθινή εταιρεία μπαταριών στερεάς κατάστασης που έχει συγκεντρώσει 700 εκατομμύρια δολάρια μέχρι σήμερα. Η εταιρεία ευημερεί στην hơn-δεκαετή ιστορία επένδυσης σε έρευνα και ανάπτυξη, η οποία έχει οδηγήσει σε σχεδόν 50 παγκόσμιες οικογένειες πατεντών και τρεις ηγετικές εταιρείες ανάπτυξης (BMW, Ford, SK On).
#2. QuantumScape
Η QuantumScape, μια άλλη σημαντική εταιρεία στον τομέα, δηλώνει ότι είναι σε μια αποστολή για να ‘μετασχηματίσει την αποθήκευση ενέργειας με τεχνολογία μπαταριών στερεάς κατάστασης λιθίου-μετάλλου’. Ισχυρίζεται επίσης ότι ενεργοποιεί ‘μεγαλύτερη πυκνότητα ενέργειας, ταχύτερη φόρτιση και βελτιωμένη ασφάλεια’ – τις τρεις βασικές ιδιότητες που η έρευνα του POSTECH εστιάζει επίσης.
Ένα από τα πιο εξαιρετικά χαρακτηριστικά της QuantumScape είναι ότι έχει αναπτύξει το πρώτο σχέδιο κελιού χωρίς άνοδο, με αποτέλεσμα υψηλή πυκνότητα ενέργειας με μειωμένα κόστη υλικών και απλοποιημένη κατασκευή.
Η πλατφόρμα τεχνολογίας της QuantumScape χρησιμοποιεί eine ποικιλία καθετηριακών χημιών για να βελτιώσει σημαντικά τις πυκνότητες ενέργειας των σημερινών μπαταριών Nickel Manganese Cobalt (NMC) και Lithium Iron Phosphate (LFP)-based. Οι προσπάθειές τους εξασφαλίζουν την оптимποίηση για διάφορες εφαρμογές αποθήκευσης ενέργειας και διατηρούν το πεδίο έτοιμο να εκμεταλλευτεί τις μελλοντικές προόδους χημικής καθετήρα.
Ένα άλλο USP της εταιρείας είναι το υλικό διαχωρισμού, το οποίο κατασκευάζεται από κεραμικά που προσφέρουν υψηλή αγωγιμότητα, σταθερότητα στο λίθιο, αντίσταση στη δημιουργία dendritων και χαμηλή διεπαφή εμπέδησης. Ένα άλλο πλεονέκτημα της χρήσης κεραμικών είναι ότι έρχεται με βελτιωμένη ασφάλεια, καθώς δεν είναι εύφλεκτα και είναι ασφαλέστερα από τις συμβατικές πολυμερικές διαχωριστικές που περιέχουν υδρογονάνθρακες και είναι πιο ευάλωτες στη φλόγα.
Η QuantumScape εργάζεται με ένα στόχο 800–1,000 Wh/L με τις μπαταρίες στερεάς κατάστασης λιθίου-μετάλλου.
(SLDP )
Οικονομικά, η QuantumScape (NYSE: QS) υποστηρίζεται από περισσότερα από 2 δισεκατομμύρια δολάρια αξίας επενδύσεων. Έχει περισσότερες από 300 πατέντες και αιτήσεις πατεντών στη διάθεσή της.
Το Μέλλον των Μπαταριών Στερεάς Κατάστασης
Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης δεν είναι πλέον μια τεχνολογία του μέλλοντος επειδή το μέλλον έχει ήδη έρθει. Πολλές πρωτοποριακές έρευνες από τα καλύτερα ινστιτούτα προωθούν την πορεία τους κάθε μέρα.
Τον Ιανουάριο του 2024, για παράδειγμα, ερευνητές από το Χάρβαρντ Σχολή Μηχανικής και Εφαρμοσμένων Επιστημών (SEAS) παρουσίασαν μια μπαταρία στερεάς κατάστασης με λίθιο μέταλλο ικανή να παραδώσει 6,000 κύκλους φόρτισης/εκφόρτισης—σημαντικά περισσότερα από οποιαδήποτε άλλη μπαταρία σε πακέτο στην αγορά.
Η έρευνα είναι παρόμοια με αυτή που αναφέρθηκε στην αρχή του άρθρου μας, поскольку οι ερευνητές του Χάρβαρντ αντιμετώπισαν το γνωστό πρόβλημα της δημιουργίας dendritων στην επιφάνεια του ανόδου.
Εκτός από τις εξειδικευμένες επιχειρήσεις που έχουμε συζητήσει, συμπεριλαμβανομένων της Solid Power και της QuantumScape, υπάρχουν και μεγάλες εταιρείες που εμπλέκονται σε αυτόν τον τομέα. Για παράδειγμα, τον Οκτώβριο του 2023, η Toyota και η Idemitsu Kosan ανακοίνωσαν μια συνεργασία για την ανάπτυξη μπαταριών στερεάς κατάστασης για ηλεκτρικά οχήματα.
Η όραση που οδήγησε αυτή τη συνεργασία ήταν φιλόδοξη, για να πούμε το λιγότερο. Αναφέρθηκε το ακόλουθο στην ανακοίνωση τύπου:
“Μέσω αυτής της συνεργασίας, οι δύο εταιρείες, οι οποίες ηγούνται του κόσμου στους τομείς που σχετίζονται με την ανάπτυξη μπαταριών στερεάς κατάστασης, επιδιώκουν να εξασφαλίσουν την επιτυχημένη εμπορική εκμετάλλευση των μπαταριών στερεάς κατάστασης το 2027-28―όπως ανακοινώθηκε στο Toyota Technical Workshop τον Ιούνιο του 2023―ακολουθούμενη από πλήρη μαζική παραγωγή.”
Μια άλλη εταιρεία που αποφάσισε να κάνει ένα μεγάλο βήμα σε αυτόν τον τομέα ήταν η Honda. Η εταιρεία έχει sido ενεργό σε αυτόν τον χώρο για khá καιρό τώρα. Τον Ιανουάριο του 2024, οι αρχές της Honda ανέφεραν ότι στόχευαν μια μείωση του βάρους κατά 50% —ή, για να το πούμε με άλλο τρόπο, μια αύξηση της πυκνότητας ενέργειας κατά βάρος κατά 50%.
Ο CEO της Honda Toshihiro Mibe εξήγησε ότι αν η Honda ήθελε να δημιουργήσει ένα αυτοκίνητο που κοστίζει 30.000 δολάρια, θα μπορούσε να考虑σει τις μπαταρίες στερεάς κατάστασης επειδή το κόστος της μπαταρίας θα μειωνόταν, η εμβέλεια θα αυξανόταν και το σύστημα ψύξης θα απλοποιούταν.
Ωστόσο, οι παγκόσμιες προσπάθειες για να κάνουν τις μπαταρίες στερεάς κατάστασης πιο ισχυρές και ασφαλείς vẫn αντιμετωπίζουν κάποια προκλήματα. Ο στόχος είναι να βελτιώσουν τις βασικές ιδιότητες, συμπεριλαμβανομένης της ασφάλειας, της σταθερότητας, της απόδοσης ενέργειας και της ηλεκτροχημικής αποθήκευσης. Τα εμπόδια, από την άλλη πλευρά, περιλαμβάνουν τη μακροπρόθεσμη απόδοση, την οικονομική βιωσιμότητα και την ακριβή παράδοση συγκεκριμένων προτύπων ισχύος.
Εάν εμβαθύνουμε πιο sâu, θα δούμε ότι τα προκλήματα περιλαμβάνουν επίσης ανεπαρκή απόδοση κύκλων στις τρέχουσες μπαταρίες στερεάς κατάστασης (SSBs) λόγω υποβάθμισης υλικών σε άνοδο, καθετήρα και ηλεκτρολύτη. Ο Ηνωμένες Πολιτείες Συμβούλιο για την Αυτοκινητική Έρευνα έχει ορίσει ένα στόχο ζωής μπαταρίας 10 ετών με 1000 κύκλους σε 80% βάθος εκφόρτισης.
Τι εμποδίζει τις μπαταρίες στερεάς κατάστασης να επιτύχουν συχνά αυτόν τον στόχο είναι η δημιουργία στρωμάτων φόρτισης, η οποία οδηγεί σε αργές διεπαφικές κινητικές και υψηλή εμπέδηση, και η ανάπτυξη dendritων, η οποία προκαλεί βραχυκυκλώματα και κινδύνους ασφαλείας.
Ωστόσο, υπάρχουν λύσεις σε αυτά τα προκλήματα. Οι κατασκευαστές θα πρέπει να επικεντρωθούν στην παραγωγή μπαταριών στερεάς κατάστασης υψηλής πυκνότητας ενέργειας και βελτιώσεων. Μετά από όλα, αυτά τα προϊόντα έχουν υψηλή θερμική σταθερότητα, εξαλείφοντας προβλήματα ασφαλείας ακόμη και σε θερμοκρασίες πάνω από 200 °C, ενώ οι υγροί ηλεκτρολύτες μπορεί να představují κινδύνους σε θερμοκρασίες πάνω από 70 °C. Οι στερεοί ηλεκτρολύτες μπορούν να προσφέρουν λειτουργία χωρίς漏 και να παρέχουν μεγαλύτερη ηλεκτροχημική σταθερότητα από τους υγρούς ομόλογούς τους.
Οι στερεοί ηλεκτρολύτες είναι επίσης πιο επιθυμητοί επειδή μπορούν να μειώσουν την υποβάθμιση χωρητικότητας και τα εσωτερικά βραχυκυκλώματα. Η υψηλή ιονική αγωγιμότητα και η χαμηλή ηλεκτρονική αγωγιμότητα εξασφαλίζουν επίσης ότι τα οχήματα φορτίζονται γρηγορότερα.
Σύμφωνα με τις εκτιμήσεις της QuantumScape, ένα όχημα που έχει περίπου 350 μίλια εμβέλειας με μια φόρτιση χρησιμοποιώντας μια από τις καλύτερες παραδοσιακές μπαταρίες Li-ion με πυκνότητα ενέργειας ~700 Wh/L θα μπορούσε να έχει μεταξύ 400 και 500 μιλίων εμβέλειας χρησιμοποιώντας τις μπαταρίες στερεάς κατάστασης της QuantumScape.
Συνολικά, οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης είναι απαραίτητες για τη μελλοντική κινητικότητα. Θα πρέπει να είναι αποτελεσματικές, ασφαλείς, οικονομικές και μακροζωής.
