Pevné batérie: nová generácia batérií

Pevné batérie: nová generácia batérií

Podľa „The Korea Times“ a ďalších správ médií plánuje Samsung 14. mája spolupracovať s Hyundai na vývoji elektrických vozidiel a poskytovaní napájacích batérií a iných pripojených automobilových dielov pre elektrické vozidlá Hyundai. Médiá predpovedajú, že Samsung a Hyundai čoskoro podpíšu nezáväzné memorandum o porozumení v oblasti dodávky batérií. Uvádza sa, že Samsung predstavil svoju najnovšiu polovodičovú batériu Hyundai.

Podľa Samsungu, keď je jeho prototypová batéria plne nabitá, môže umožniť elektromobilu prejsť viac ako 800 kilometrov naraz, pričom životnosť batérie je viac ako 1,000-krát. Jeho objem je o 50 % menší ako u lítium-iónovej batérie s rovnakou kapacitou. Z tohto dôvodu sa polovodičové batérie v najbližších desiatich rokoch považujú za najvhodnejšie napájacie batérie pre elektromobily.

Začiatkom marca 2020 Samsung Institute for Advanced Study (SAIT) a Samsung Research Center of Japan (SRJ) publikovali v časopise „Nature Energy“ „Vysokoenergetické dlho-cyklické lítiové kovové batérie v tuhom stave, ktoré umožňuje striebro“. -Uhlíkové kompozitné anódy“ predstavili svoj najnovší vývoj v oblasti polovodičových batérií.

Táto batéria používa pevný elektrolyt, ktorý nie je horľavý pri vysokých teplotách a môže tiež inhibovať rast lítiových dendritov, aby sa zabránilo prepichnutiu skratu. Okrem toho používa ako anódu kompozitnú vrstvu striebro-uhlík (Ag-C), ktorá dokáže zvýšiť hustotu energie na 900 Wh/L, má dlhú životnosť viac ako 1000 cyklov a veľmi vysokú coulombickú účinnosť (nabíja a účinnosť vybíjania) 99.8 %. Dokáže poháňať batériu po jednej platbe. Auto prešlo 800 kilometrov.

SAIT a SRJ, ktoré tento dokument zverejnili, sú však skôr vedecko-výskumné inštitúcie ako Samsung SDI, ktorý sa zameriava na technológie. Článok iba objasňuje princíp, štruktúru a výkon novej batérie. Predbežne sa usudzuje, že batéria je stále v laboratórnom štádiu a bude ťažké ju v krátkom čase sériovo vyrobiť.

Rozdiel medzi polovodičovými batériami a tradičnými tekutými lítium-iónovými batériami je v tom, že namiesto elektrolytov a separátorov sa používajú pevné elektrolyty. Nie je potrebné používať grafitové anódy s interkalovaným lítiom. Namiesto toho sa ako anóda používa kovové lítium, čo znižuje počet materiálov anódy. Napájacie batérie s vyššou hustotou energie tela (>350Wh/kg) a dlhšou životnosťou (>5000 cyklov), ako aj špeciálnymi funkciami (napríklad flexibilita) a ďalšími požiadavkami.

Nové systémové batérie zahŕňajú polovodičové batérie, lítiové prietokové batérie a metal-vzduchové batérie. Tri polovodičové batérie majú svoje výhody. Polymérne elektrolyty sú organické elektrolyty a oxidy a sulfidy sú anorganické keramické elektrolyty.

Pri pohľade na globálne spoločnosti vyrábajúce polovodičové batérie existujú začínajúce podniky a sú tu aj medzinárodní výrobcovia. Spoločnosti sú v systéme elektrolytov osamotené s rôznymi presvedčeniami a neexistuje žiadny trend technologického toku alebo integrácie. V súčasnosti sa niektoré technické cesty približujú podmienkam industrializácie a cesta k automatizácii polovodičových batérií je na ceste.

Európske a americké spoločnosti preferujú polymérne a oxidové systémy. Francúzska spoločnosť Bolloré prevzala vedúcu úlohu v komercializácii pevných batérií na báze polyméru. V decembri 2011 vstúpili jej elektrické vozidlá poháňané 30kwh pevnými polymérovými batériami + elektrické dvojvrstvové kondenzátory na trh zdieľaných áut, čo bolo prvýkrát na svete. Komerčné polovodičové batérie pre EV.

Sakti3, výrobca tenkovrstvových oxidových polovodičových batérií, bol získaný britským gigantom pre domáce spotrebiče Dyson v roku 2015. Je podmienený nákladmi na prípravu tenkých vrstiev a ťažkosťami pri výrobe vo veľkom meradle, pričom nedošlo k žiadnej masovej výrobný produkt na dlhú dobu.

Plán Maxwell pre polovodičové batérie je najskôr vstúpiť na trh s malými batériami, v roku 2020 ich sériovo vyrábať a v roku 2022 ich použiť v oblasti skladovania energie. V záujme rýchlej komerčnej aplikácie môže Maxwell najskôr zvážiť pokus o polo- pevné batérie v krátkodobom horizonte. Napriek tomu sú polotuhé batérie drahšie a primárne sa používajú v určitých oblastiach dopytu, čo sťažuje rozsiahle aplikácie.

Netenké oxidové produkty majú vynikajúci celkový výkon a sú v súčasnosti obľúbené vo vývoji. Taiwan Huineng aj Jiangsu Qingdao sú na tejto trati známymi hráčmi.

Japonské a kórejské spoločnosti sú viac odhodlané riešiť problémy industrializácie sulfidového systému. Reprezentatívne spoločnosti ako Toyota a Samsung urýchlili ich nasadenie. Sulfidové batérie v tuhom stave (lítium-sírové batérie) majú obrovský rozvojový potenciál vďaka svojej vysokej hustote energie a nízkej cene. Spomedzi nich je technológia Toyoty najpokročilejšia. Uvoľnil demo batérie na úrovni ampérov a elektrochemický výkon. Zároveň tiež použili LGPS s vyššou vodivosťou pri izbovej teplote ako elektrolyt na prípravu väčšieho akumulátora.

Japonsko spustilo celoštátny program výskumu a vývoja. Najsľubnejšou alianciou sú Toyota a Panasonic (Toyota má takmer 300 inžinierov zapojených do vývoja polovodičových batérií). Povedala, že do piatich rokov komercializuje polovodičové batérie.

Plán komercializácie polovodičových batérií vyvinutý spoločnosťami Toyota a NEDO začína vývojom polovodičových batérií (batérie prvej generácie) s použitím existujúcich pozitívnych a škodlivých materiálov LIB. Potom bude používať nové pozitívne a negatívne materiály na zvýšenie hustoty energie (batérie novej generácie). Očakáva sa, že Toyota vyrobí prototypy polovodičových elektrických vozidiel v roku 2022 a polovodičové batérie použije v niektorých modeloch v roku 2025. V roku 2030 môže energetická hustota dosiahnuť 500 Wh/kg, aby sa dosiahli aplikácie hromadnej výroby.

Z pohľadu patentov medzi 20 najlepšími žiadateľmi o patenty na polovodičové lítiové batérie bolo 11 japonských spoločností. Najviac sa prihlásila Toyota, ktorá dosiahla 1,709 2.2, čo je 10-krát viac ako druhý Panasonic. Prvých 8 spoločností sú japonské a juhokórejské, vrátane 2 v Japonsku a XNUMX v Južnej Kórei.

Z pohľadu globálneho patentového usporiadania vlastníkov patentu sú kľúčovými krajinami alebo regiónmi Japonsko, Spojené štáty americké, Čína, Južná Kórea a Európa. Okrem lokálnych prihlášok má Toyota najvýznamnejší počet prihlášok v Spojených štátoch a Číne, ktoré predstavujú 14.7 % a 12.9 % z celkového počtu patentových prihlášok.

Industrializácia polovodičových batérií v mojej krajine sa tiež neustále skúma. Podľa plánu technickej trasy Číny sa v roku 2020 postupne zrealizuje pevný elektrolyt, syntéza katódového materiálu s vysokou špecifickou energiou a konštrukčná technológia trojrozmernej štruktúry lítiovej zliatiny. Rozpozná výrobu vzorky jednej batérie s malou kapacitou 300 Wh/kg. V roku 2025 dosiahne technológia riadenia rozhrania polovodičovej batérie 400 Wh/kg veľkokapacitnej vzorky jednej batérie a skupinovej technológie. Očakáva sa, že polovodičové batérie a lítium-sírové batérie sa budú môcť masovo vyrábať a propagovať v roku 2030.

Batérie novej generácie v projekte IPO fundraisingu CATL zahŕňajú polovodičové batérie. Podľa správ NE Times CATL očakáva, že dosiahne masovú výrobu polovodičových batérií najmenej do roku 2025.

Celkovo je technológia polymérového systému najvyspelejšia a zrodil sa prvý produkt na úrovni EV. Jeho koncepčný a perspektívny charakter spustil zrýchlenie investícií do výskumu a vývoja zo strany oneskorencov, ale horná hranica výkonnosti obmedzuje rast a v budúcnosti bude možným riešením zmiešavanie s anorganickými pevnými elektrolytmi; oxidácia; V materiálovom systéme je vývoj tenkovrstvových typov zameraný na rozšírenie kapacít a veľkosériovú výrobu a celkový výkon nefilmových typov je lepší, na čo sa zameriava súčasný výskum a vývoj; sulfidový systém je najsľubnejším polovodičovým batériovým systémom v oblasti elektrických vozidiel, ale v polarizovanej situácii s obrovským priestorom pre rast a nevyspelou technológiou je riešenie bezpečnostných problémov a problémov s rozhraním stredobodom budúcnosti.

Výzvy, ktorým čelia polovodičové batérie, zahŕňajú najmä:

• Zníženie nákladov.
• Zlepšenie bezpečnosti pevných elektrolytov.
• Udržiavanie kontaktu medzi elektródami a elektrolytmi počas nabíjania a vybíjania.

Lítium-sírové batérie, lítium-vzduchové a iné systémy potrebujú vymeniť celý rám konštrukcie batérie a vyskytujú sa čoraz výraznejšie problémy. Kladné a záporné elektródy polovodičových batérií môžu naďalej využívať súčasný systém a obtiažnosť realizácie je relatívne malá. Ako technológia batérií novej generácie majú polovodičové batérie vyššiu bezpečnosť a hustotu energie a stanú sa jediným spôsobom v post-lítiovej ére.