Solid-state batterijen en hun belangrijkste materialen

Wat is een solid-state batterij? De traditionele lithium-ionbatterij bevat vier hoofdcomponenten: positieve elektrode, negatieve elektrode, elektrolyt en separator. Een solid-state batterij vervangt de elektrolyt door een vaste elektrolyt. Vergeleken met traditionele lithium-ionbatterijen ligt het belangrijkste verschil tussen vastestofbatterijen daarin dat de elektrolyt is veranderd van vloeibaar naar vast, met zowel veiligheid als een hoge energiedichtheid. Vastestofelektrolytbatterijen zijn de ultieme vorm van lithium- en natriumbatterijen, die veiligheidsproblemen volledig kunnen oplossen en ongetwijfeld de hoofdrolspeler zijn in de tweede helft van de nieuwe energiemarkt. De keten van de solid-state batterij-industrie is grofweg vergelijkbaar met die van vloeibare lithiumbatterijen. De upstream omvat grondstoffen, mijnbouw, machines en uitrusting, en basismaterialen. Het belangrijkste verschil tussen de twee ligt in de soorten negatieve elektrodematerialen en elektrolyten. De positieve elektrodematerialen zijn vrijwel hetzelfde. Als deze volledig is doorontwikkeld tot een volwaardige solid-state batterij, wordt ook de separator volledig vervangen. De middenstroom van de industriële keten is het verwerkings- en voorbereidingsproces van batterijpakketten, en de stroomafwaartse toepassingsgebieden van de industriële keten omvatten nieuwe energievoertuigen, energieopslagsystemen, consumentenelektronica, enz.

De voordelen van solid-state batterijen zijn:

(1) Elektrolyten in vaste toestand worden gebruikt ter vervanging van vloeibare elektrolyten en afscheiders. Elektrolyten in vaste toestand hebben een zeer hoog ontstekingspunt, wat de thermische stabiliteit van de batterij verbetert;

(2) Het spanningsplatform van solid-state batterijen is 5V, hoger dan de 4,3V van vloeibare batterijen, die kunnen overeenkomen met hoogspanningselektrodematerialen, en de energiedichtheid en specifieke capaciteit van de batterij zijn beter dan die van vloeibare batterijen;

(3) Elektrolyten in vaste toestand zijn niet vloeibaar, dus er is geen lekkage, wat het ontwerp van het batterijpakket vereenvoudigt, het gewicht en het volume van de batterij vermindert, en de energiedichtheid zal naar verwachting hoger zijn dan 300 Wh/kg.

Elektrolyt in vaste toestand

Vastestofelektrolyt is het kernbestanddeel van vastestoflithium-ionbatterijen, die tegelijkertijd als afscheider en elektrolyt van de batterij kunnen dienen. De kernrol van de elektrolyt is het overbrengen van Li+ tussen de positieve en negatieve elektroden. Ideale elektrolyten in vaste toestand moeten een hoge ionische geleidbaarheid, een lage interface-impedantie, een stabiele structuur, hoge veiligheid, hoge mechanische sterkte en een lage prijs hebben. Momenteel kan het, op basis van verschillende elektrolyten, hoofdzakelijk worden onderverdeeld in polymere elektrolyten in vaste toestand en anorganische elektrolyten in vaste toestand. Het representatieve systeem van de eerstgenoemde is PEO-polyethyleenoxide; de laatste zijn de oxide-, sulfide- en halogenidesystemen.

Kathode materialen

De belangrijkste kathodematerialen voor solid-state batterijen zijn: lithiumkobaltoxide, lithiumijzerfosfaat, lithiumnikkelkobaltoxide en lithiumkobaltaluminiumoxide.

(1)Lithiumkobaltoxide: een veelgebruikt kathodemateriaal in lithium-ionbatterijen, dat een hoge energiedichtheid en een lange levensduur kan bieden, maar er zijn veiligheidsproblemen.

(2) Lithium-ijzerfosfaat: Vergeleken met lithiumkobaltoxide heeft lithium-ijzerfosfaat een betere veiligheid en een langere levensduur, maar de energiedichtheid is lager.

（3）Lithium-nikkel-kobaltoxide: hoge energiedichtheid en lange levensduur, maar de materiaalkosten zijn hoog en er zijn veiligheidsproblemen.

(4) Lithiumkobalt-aluminiumoxide: Hoge energiedichtheid, maar de levensduur is iets lager dan die van lithium-nikkel-kobaltoxide.

(5)Combinaties van meerdere materialen in elektrolyten in vaste toestand: lithiummangaanoxide (LiMn2O4) en lithiumtitanaat (Li4Ti5O12) kunnen bijvoorbeeld een hogere veiligheid en een langere levensduur bieden, maar de energiedichtheid is relatief laag.

Anode materialen

De negatieve elektrodematerialen voor vastestofbatterijen omvatten hoofdzakelijk drie typen: lithiummetaal, koolstofmaterialen en siliciummaterialen.

(1) Lithiummetaal wordt voornamelijk gebruikt in lithium-ionbatterijen in vaste toestand en lithium-zwavelbatterijen in vaste toestand. Onder hen zijn solid-state lithium-ionbatterijen een soort batterij met een hoge energiedichtheid die kan worden toegepast op gebieden zoals elektrische voertuigen en drones. Aan de andere kant zijn solid-state lithium-zwavelbatterijen batterijen met een hoge energiedichtheid en hoge veiligheid, geschikt voor toepassingen in de lucht- en ruimtevaart, het leger en andere gebieden.

（2）Koolstofmaterialen worden voornamelijk gebruikt in lithium-ionbatterijen met vaste stof. Koolstofnanobuisjes, een veelgebruikt koolstofmateriaal, hebben een hoog specifiek oppervlak en uitstekende elektrochemische prestaties, waardoor ze geschikt zijn voor gebruik in krachtige lithium-ionbatterijen in vaste toestand.

(3) Silicium is een nieuw negatief elektrodemateriaal dat een hoge specifieke capaciteit en lage kosten biedt. In vastestofbatterijen kan silicium reageren met vastestofelektrolyten om lithiumionen te vormen, waardoor het opladen en ontladen van de batterij mogelijk wordt. Vergeleken met lithiummetaal en koolstofmaterialen heeft silicium een ​​hogere specifieke capaciteit, maar de cyclusstabiliteit is relatief slecht, gevoelig voor volume-uitbreiding en structurele schade. Siliciummaterialen worden voornamelijk gebruikt in lithium-ionbatterijen in vaste toestand. Onder hen bezitten silicium nanodraden, een veelgebruikt siliciummateriaal, een hoog specifiek oppervlak en uitstekende elektrochemische prestaties, geschikt voor gebruik in krachtige lithium-ionbatterijen in vaste toestand.

Scheidingsteken

Scheidingsmateriaal is een essentieel onderdeel van vastestofbatterijen en wordt voornamelijk gebruikt om de positieve en negatieve elektroden te isoleren om elektronische geleiding te voorkomen. De samenstelling van separatormaterialen omvat voornamelijk polymeren, poeders op nanoschaal, enzovoort. Onderzoek suggereert dat een dubbellaagse coating kan worden gebruikt als alternatief voor een separator, met een anorganische vaste-stof elektrolytlaag gecoat aan beide zijden van de negatieve elektrodeplaat, en een organische polymeerlaag gecoat op het oppervlak van de anorganische vaste stof. staat elektrolytlaag. Momenteel zijn er opvattingen dat all-solid-state sulfide- en oxidebatterijen geen scheider nodig hebben. Bovendien hebben verschillende gepubliceerde patenten voor vastestofbatterijen het concept van composietscheiders voorgesteld, zoals anorganisch-organische composietscheiders.

---

E-mail: tob.amy@tobmachine.com

Skype: amywangbest86

Whatsapp/Telefoonnummer: +86 181 2071 5609