Wat is een solid-state batterij?
2025-02-20
Solid-state batterijen zijn een type batterijtechnologie. In tegenstelling tot de lithium-ionbatterijen en lithium-ionpolymeerbatterijen die tegenwoordig veel worden gebruikt, zijn solid-state batterijen batterijen die gebruikmaken van vaste elektroden en vaste elektrolyten.
In dit artikel zullen we de definitie, het werkingsprincipe, de voordelen en de toekomstige ontwikkelingsuitdagingen van solid-state batterijen in detail introduceren.
Definitie: Solid-state batterijen verwijzen naar batterijen die gebruikmaken van vaste elektroden en vaste elektrolyten in plaats van traditionele vloeibare elektrolyten. Deze batterijtechnologie heeft de laatste jaren veel aandacht en onderzoek gekregen en wordt gezien als een belangrijke technologie die mogelijk de huidige mainstream lithium-ionbatterijen zou kunnen vervangen.
Solid-state batterijen zijn batterijen die gebruik maken van vaste elektroden en vaste elektrolyten. Solid-state batterijen hebben over het algemeen een lagere vermogensdichtheid en een hogere energiedichtheid. Aangezien solid-state batterijen een relatief hoge vermogen-gewichtsverhouding hebben, zijn ze ideale batterijen voor elektrische voertuigen.
Werkingsprincipe van solid-state batterij
De traditionele vloeibare lithiumbatterij wordt door wetenschappers vaak "schommelstoelbatterij" genoemd. De twee uiteinden van de schommelstoel zijn de positieve en negatieve polen van de batterij, en het elektrolyt (vloeibaar) bevindt zich in het midden. Lithium-ionen zijn als uitstekende atleten, die heen en weer rennen tussen beide uiteinden van de schommelstoel. In het proces van lithium-ionen die van de positieve elektrode naar de negatieve elektrode bewegen en vervolgens weer naar de positieve elektrode, wordt het oplaad- en ontlaadproces van de batterij voltooid.
Het principe van de solid-state batterij is hetzelfde, behalve dat het elektrolyt vast is, en de dichtheid en structuur ervan het mogelijk maken om meer geladen ionen aan één uiteinde te verzamelen, een groter stroom te geleiden en zo de batterijcapaciteit te verhogen. Daarom zal voor dezelfde hoeveelheid elektriciteit het volume van de solid-state batterij kleiner worden. Niet alleen dat, aangezien er geen elektrolyt in de solid-state batterij zit, wordt de afdichting gemakkelijker. Wanneer het wordt gebruikt in grote apparatuur zoals auto's, is het niet nodig om extra koelbuizen, elektronische besturingen, enzovoort toe te voegen, wat niet alleen kosten bespaart, maar ook effectief het gewicht vermindert.
Voordelen van solid-state batterijen
Voordeel 1
Licht-hoge energiedichtheid. Na het gebruik van volledig vaste elektrolyten zal het toepasbare materiaal van lithium-ionbatterijen ook veranderen. Het belangrijkste punt is dat het niet nodig is om lithium-embedded grafiet negatieve elektroden te gebruiken, maar direct metallic lithium als negatieve elektroden te gebruiken, wat de hoeveelheid gebruikte negatieve elektrode-materialen aanzienlijk kan verminderen, waardoor de energiedichtheid van de gehele batterij aanzienlijk verbetert.
Voordeel 2
Dun-klein volume. In traditionele lithium-ionbatterijen zijn scheidingswanden en elektrolyten vereist, die samen bijna 40% van het volume en 25% van de massa van de batterij in beslag nemen. Als ze worden vervangen door vaste elektrolyten (voornamelijk organische en anorganische keramische materialen), kan de afstand tussen de positieve en negatieve elektroden (traditioneel gevuld met scheidingswand elektrolyten, nu gevuld met vaste elektrolyten) worden verkort tot slechts enkele microns tot enkele tientallen microns, zodat de dikte van de batterij aanzienlijk kan worden verminderd – daarom is de technologie van volledig vaste batterijen de enige manier om batterijen te miniaturiseren en dunne film batterijen te maken.
Voordeel 3
Het vooruitzicht van flexibiliteit. Zelfs broze keramische materialen kunnen vaak worden gebogen nadat de dikte is verminderd tot minder dan millimeters, en het materiaal wordt flexibel. Dienovereenkomstig zal de flexibiliteit van volledig vaste batterijen aanzienlijk verbeteren nadat ze dunner en lichter zijn gemaakt. Door geschikte verpakkingsmaterialen te gebruiken (niet rigide behuizingen), kunnen de geproduceerde batterijen honderden tot duizenden buigingen weerstaan zonder prestatieverlies.
Voordeel 4
Veiliger.
Traditionele lithiumbatterijen kunnen de volgende gevaren met zich meebrengen:
(1) Lithiumdendrieten kunnen ontstaan bij het werken onder hoge stroom, wat de scheidingswand kan doorboren en kortsluitingsschade kan veroorzaken.
(2) Het elektrolyt is een organische vloeistof, die de neiging heeft om bij hoge temperaturen nevenreacties, oxidatieve ontleding, gasvorming en verbranding te veroorzaken. De bovenstaande twee problemen kunnen direct worden opgelost door het gebruik van volledig solid-state batterijtechnologie.
Redenen voor het ontwikkelen van solid-state batterijen
De grootste beperkende factor in de batterijen die we momenteel gebruiken, is het vloeibare elektrolyt, dat bestaat uit organische oplosmiddelen, lithiumzouten en enkele additieven. Het speelt de rol van het transporteren van ionen en het geleiden van stroom. Deze organische oplosmiddelen hebben echter een slechte oplosbaarheid, corrosie- en oxidatieweerstand. Het bestaan ervan kan het probleem van lithiumdendrieten niet oplossen. Zodra kristallisatie optreedt, kan het de scheidingswand doorboren, en zullen de positieve en negatieve elektroden direct contact maken, wat kan leiden tot thermische doorslag.
（a.Whisker-achtige lithium dendrieten ， b.Mosachtige lithium dendrieten ， c.Dendrieten van lithium d.Sferische lithium dendrieten）
Bovendien beperkt de aanwezigheid van het elektrolyt ook het gebruik van positieve en negatieve elektrode-materialen. De batterijen die we momenteel gebruiken, maken meestal gebruik van grafiet als negatieve elektroden. Je kunt het zien als een container. Wanneer lithium-ionen erin komen, is het als een huis dat het herbergt. Vanwege het grafiet als een framebeperking wordt de SEI (solid electrolyte interface) op het oppervlak van het huis beheersbaar. De theoretische limiet van de energiedichtheid van de huidige nikkel-mangaan-kobalt (NMC) batterij is ongeveer 250-300 Wh/kg.
Als een volledig solid-state medium in plaats van vloeistof wordt gebruikt, kan de scheidingswand volledig worden geëlimineerd, en hoeft men zich geen zorgen te maken over direct contact en kortsluiting van de positieve en negatieve elektroden, omdat het solid-state medium de positieve en negatieve elektrode-materialen volledig fysiek kan blokkeren. Het probleem van lithiumdendrieten die de barrière doorboren, kan in principe worden opgelost, en de veiligheid wordt meer gegarandeerd. Daarom zijn solid-state batterijen veiliger en hebben ze een lagere kans op thermische doorslag.
Daarnaast is de keuze van positieve en negatieve elektrode-materialen veel diverser, en het kan compatibel zijn met positieve en negatieve elektroden met een hoge specifieke capaciteit, waardoor de batterijcapaciteit aanzienlijk wordt verbeterd. Bijvoorbeeld, het negatieve elektrode materiaal kan zelfs helemaal uit lithium bestaan: de "container" kan volledig worden geëlimineerd, omdat het solide medium niet reageert met metallic lithium, en er dus meer lithium kan worden vastgehouden. Bovendien kan het de groei van lithiumdendrieten remmen. Omdat het een harde-naar-harde interface is, kan het negatieve elektrode-oppervlak geforceerd worden geëgaliseerd, wat een van de redenen is voor de hoge energiedichtheid. In theorie kan de energiedichtheid van volledig solid-state batterijen 500 Wh/kg bereiken, met kleinere batterijen en een langere batterijduur.
Nadelen en uitdagingen van solid-state batterijen
● Lage technologische rijpheid:
De solid-state batterijtechnologie bevindt zich nog steeds in de onderzoeks- en ontwikkelingsfase en is nog niet volledig rijp.
● Hoge productiekosten:
De huidige productiekosten van solid-state batterijen zijn relatief hoog, wat voornamelijk te wijten is aan factoren zoals hoge technische moeilijkheid en lage productie-efficiëntie.
● Interface-impedantieprobleem:
De solide-solide contact tussen het vaste elektrolyt en het elektrode materiaal kan leiden tot een hogere interface-impedantie, wat de laad- en ontlaadprestaties van de batterij beïnvloedt.
● Elektrolytgeleiding:
De geleiding van vaste elektrolyten is meestal lager dan die van vloeibare elektrolyten, wat de vermogensdichtheid en snelle laadmogelijkheden van solid-state batterijen beperkt.
Ontwikkeling van solid-state batterijen
Sinds Sony in 1991 lithium-ionbatterijen met vloeibare elektrolyten in elektronische apparaten introduceerde, zijn vloeibare lithiumbatterijen een van de meest rijpe en breedgebruikte technologieën geworden.
In 2010 lanceerde Toyota een solid-state batterij met een actieradius van meer dan 1.000 km. De inspanningen van QuantumScape en Sakti3 proberen ook traditionele vloeibare lithiumbatterijen te vervangen door solid-state batterijen.
Het Canadese Avestor probeerde ook solid-state lithiumbatterijen te ontwikkelen, maar vroeg uiteindelijk in 2006 faillissement aan. Avestor gebruikte een polymeer-scheidingwand ter vervanging van het vloeibare elektrolyt in de batterij, maar loste het veiligheidsprobleem niet op. In Noord-Amerika zijn er verschillende gevallen van batterijbranden of -explosies geweest.
In maart 2015 investeerde James Dyson, de uitvinder van de stofzuiger en oprichter van het Britse Dysonbedrijf, zijn eerste $15 miljoen in het solid-state batterijbedrijf Sakti3, een start-up die in 2007 werd opgericht.
In januari 2018 leek een baanbrekende nieuwe batterijtechnologie eindelijk de realiteit te benaderen. Als het aan de verwachtingen voldoet, kan de nieuwe technologie de behoefte van mobiele telefoonverslaafden aan meerdere dagen gebruik vervullen en het rijbereik van elektrische voertuigen verhogen tot meer dan 500 mijl (ongeveer 804 kilometer). Deze nieuwe technologie wordt solid-state batterijtechnologie genoemd, die de vloeibare elektrolyten in de huidige batterijen vervangt door keramische materialen.
In januari 2018 werd een alliantie gevormd met BMW, die beloofde een vorm van batterijcomponenten te leveren voor elk product dat het in de komende 10 jaar produceert, of het nu een traditionele hybride, plug-in elektrische auto of volledig elektrische auto (BEV) is.
Op 9 januari 2021 lanceerde NIO een nieuwe 150 kWh solid-state batterijpakket. NIO elektrische voertuigen uitgerust met deze technologie zullen naar verwachting in het vierde kwartaal van 2022 worden geleverd, en het bereik wordt verwacht meer dan 1.000 kilometer te overschrijden.
n juni 2024 beweerde het Japanse elektronische componentenbedrijf TDK een doorbraak te hebben gemaakt in de materialen van kleine solid-state batterijen, wat naar verwachting de prestaties van kleine elektronische apparaten zoals draadloze hoofdtelefoons en slimme horloges aanzienlijk zal verbeteren. De nieuwe batterij biedt een energiedichtheid (d.w.z. de hoeveelheid energie die in een gegeven ruimte kan worden gecomprimeerd) van 1.000 watt-uur per liter (Wh/l), wat ongeveer 100 keer hoger is dan de massaproductiebatterijen van TDK..
Wat zijn semi-solid state batterijen en het verschil met solid-state batterijen?
Hoe oude batterijen te gebruiken?
Gerelateerd artikel
