4 Arten von Festelektrolyten für Festkörperbatterien

Warum sind Festkörperbatterien ein Branchentrend?

Hohe Sicherheit:

Die Sicherheitsprobleme von Flüssigbatterien wurden schon immer kritisiert. Der Elektrolyt ist bei hohen Temperaturen oder starken Stößen leicht entzündlich. Bei hohem Strom scheint es auch, dass Lithiumdendriten den Separator durchdringen und einen Kurzschluss verursachen. Manchmal kann der Elektrolyt bei hohen Temperaturen Nebenreaktionen eingehen oder sich zersetzen. Die thermische Stabilität flüssiger Elektrolyte kann nur bis zu 100 °C aufrechterhalten werden, während oxidische Festelektrolyte 800 °C erreichen können und Sulfide und Halogenide auch 400 °C erreichen können. Feste Oxide sind stabiler als Flüssigkeiten und aufgrund ihrer festen Form ist ihre Schlagfestigkeit viel höher als die von Flüssigkeiten. Daher können Festkörperbatterien das Sicherheitsbedürfnis der Menschen erfüllen.

Hohe Energiedichteï¼

Derzeit haben Festkörperbatterien keine höhere Energiedichte als Flüssigbatterien erreicht, theoretisch können Festkörperbatterien jedoch eine sehr hohe Energiedichte erreichen. Festkörperbatterien müssen nicht wie Flüssigbatterien in Flüssigkeit eingewickelt werden, um ein Auslaufen zu verhindern. Daher können überflüssige Hüllen, Verpackungsfolien, Wärmeableitungsmaterialien usw. eliminiert und die Energiedichte erheblich verbessert werden.

Hohe Leistung:

Lithiumionen in Flüssigbatterien werden durch Leitung transportiert, während Lithiumionen in Festkörperbatterien durch Sprungleitung transportiert werden, was schneller ist und eine höhere Lade- und Entladerate aufweist. Schnelles Laden war in der Flüssigbatterietechnologie schon immer eine Schwierigkeit, da Lithium ausgefällt wird, wenn die Ladegeschwindigkeit zu hoch ist. Dieses Problem besteht jedoch nicht bei Festkörperbatterien.

Leistung bei niedrigen Temperaturen:

Flüssigbatterien funktionieren im Allgemeinen stabil bei -10 °C bis 45 °C, ihre Reichweite verringert sich jedoch im Winter erheblich. Die Betriebstemperatur von Festelektrolyten liegt zwischen -30 °C und 100 °C, sodass die Batterielebensdauer außer in extrem kalten Gebieten nicht verkürzt wird und kein komplexes Wärmemanagementsystem erforderlich ist.

Lange Lebensdauer:

Unter den Flüssigbatterien beträgt die durchschnittliche Lebensdauer ternärer Batterien 500–1000 Zyklen, und die Lebensdauer von Lithiumeisenphosphat kann 2000 Zyklen erreichen. Der Dünnfilm-Feststoffzustand kann in Zukunft 45.000 Zyklen erreichen, und die 5C-Lebensdauer im Labor kann das 10.000-fache erreichen. Wenn die Produktionskosten bei gleicher Energiedichte konvergiert werden können, ist die Kosteneffizienz von Festkörperbatterien beispiellos.

Vergleich von 4 festen anorganischen Elektrolyten

Die Materialtypen von Festelektrolyten lassen sich in vier Kategorien einteilen: Oxide, Sulfide, Polymere und Halogenide. Jede dieser vier Arten von Elektrolyten hat unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften, die den Schwierigkeitsgrad von Forschung und Entwicklung, Produktion und Industrialisierung sowie ihre zukünftige Marktposition bestimmen.

Oxidelektrolyte:

Vorteile: Die Ionenleitfähigkeit liegt im Mittelfeld und weist die beste elektrochemische Stabilität, mechanische Stabilität und thermische Stabilität auf. Es kann an Hochspannungskathodenmaterialien und metallische Lithiumanoden angepasst werden. Hervorragende elektronische Leitfähigkeit und Ionenselektivität. Gleichzeitig bieten auch der Grad der Gerätekontinuität und die Herstellungskosten große Vorteile. Die umfassende Fähigkeit ist die umfassendste.

Nachteile: Die Reduktionsstabilität ist etwas gering, spröde und kann Risse verursachen.

Sulfidelektrolyt:

Vorteile: höchste Ionenleitfähigkeit, kleiner Korngrenzenwiderstand, gute Duktilität und gute Ionenselektivität.

Nachteile: schlechte chemische Stabilität, reagiert mit Lithiummetall und reagiert leicht mit feuchter Luft. Die Kosten sind höher und die mechanischen Eigenschaften sind schlecht. Derzeit muss die Produktion noch in einer Handschuhbox erfolgen, was eine Massenproduktion in großem Maßstab erschwert.

Sulfidelektrolyte weisen eine hohe Leitfähigkeit bei Raumtemperatur und eine gute Duktilität auf, und ihre Stabilität kann durch Dotierung und Beschichtung verbessert werden. Sulfidelektrolyte gibt es derzeit im Wesentlichen in drei Formen: Glas, Glaskeramik und Kristalle. Sulfidelektrolyte haben eine hohe Leitfähigkeit bei Raumtemperatur, die der von flüssigen Elektrolyten nahe kommen kann (10-4-10-2 S/cm), eine mäßige Härte, einen guten physikalischen Grenzflächenkontakt und gute mechanische Eigenschaften. Sie sind wichtige Kandidatenmaterialien für Festkörperbatterien. Allerdings haben Sulfidelektrolyte ein schmales elektrochemisches Fenster, eine schlechte Grenzflächenstabilität mit positiven und negativen Elektroden und sind sehr empfindlich gegenüber Feuchtigkeit. Es kann mit Spuren von Wasser in der Luft reagieren und giftiges Schwefelwasserstoffgas freisetzen. Produktion, Transport und Verarbeitung unterliegen sehr hohen Umweltanforderungen. Modifizierungsmethoden wie Dotierung und Beschichtung können die Grenzfläche zwischen Sulfid und positiven und negativen Elektroden stabilisieren, wodurch sie für verschiedene Arten von positiven und negativen Elektrodenmaterialien geeignet sind und sogar in Lithium-Schwefel-Batterien verwendet werden können.

Die Herstellung von Sulfid-Elektrolyt-Batterien stellt hohe Umweltanforderungen. Sulfidelektrolyte haben eine hohe Leitfähigkeit, sind relativ weich und können durch Beschichtungsverfahren hergestellt werden. Der Produktionsprozess unterscheidet sich nicht wesentlich vom bestehenden Produktionsprozess für Flüssigbatterien. Um jedoch den Grenzflächenkontakt der Batterie zu verbessern, ist es in der Regel erforderlich, nach dem Beschichten mehrere Heißpressungen durchzuführen und eine Pufferschicht hinzuzufügen, um den Grenzflächenkontakt zu verbessern. Sulfidelektrolyte reagieren sehr empfindlich auf Feuchtigkeit und können mit Spuren von Wasser in der Luft reagieren und giftiges Schwefelwasserstoffgas erzeugen, sodass die Umweltanforderungen für die Batterieherstellung sehr hoch sind.

Polymerelektrolyt:

Vorteile: gute Sicherheit, gute Flexibilität und Schnittstellenkontakt, leicht zu bildender Film.

Halogenid-Elektrolyt:

Vorteile: geringer elektronischer Widerstand, hohe Ionenselektivität, hohe Reduktionsstabilität und nicht leicht zu knacken.

Nachteile: Es befindet sich noch im Laborstadium, weist eine geringe chemische Stabilität und Oxidationsstabilität auf und weist eine hohe Ionenbeständigkeit auf.

Aufgrund der herausragenden Vor- und Nachteile von Halogeniden und Polymeren wird sich der zukünftige globale Wettbewerb um Festkörperbatterien hauptsächlich auf Oxide und Sulfide konzentrieren. Tatsächlich ist die Auswahl an Materialien für Sulfidelektrolyte aufgrund der geringen chemischen Stabilität sehr begrenzt. Solange jedoch geeignete Materialien und Prozessdurchbrüche gefunden werden, kann dieser Mangel ausgeglichen werden.

Aus Sicht der Industrialisierung werden komplexe Prozesse jedoch zu höheren Kosten und einer Skalenobergrenze führen, sodass oxidische Festkörperelektrolyte derzeit der Hauptbestandteil der Entwicklung von Festkörperbatterien sind. Von Flüssigbatterien bis hin zu Festkörperbatterien wird es eine Phase halbfester Batterien geben, und die am besten geeignete in dieser Phase ist der Oxidpfad. Dies liegt an den umfassenden Leistungs- und Kostenvorteilen. Halbfestkörperbatterien können aktuelle Flüssigbatterien schneller ersetzen und dabei schrittweise die Vorteile und die Kosteneffizienz von Festkörperbatterien nutzen.

Allerdings ist angesichts der Weiterentwicklung der Technologie immer noch unklar, ob die Welt in Zukunft von Oxiden oder Sulfiden dominiert wird. Der Kern der Festkörperbatterietechnologie ist die Forschung und Entwicklung von Festkörperelektrolyten. Obwohl aktuelle Festelektrolytmaterialien große Fortschritte gemacht haben, weisen sie immer noch Probleme wie schlechte Leitfähigkeit, großen Grenzflächenwiderstand und hohe Herstellungskosten auf. Um die Leitfähigkeit und Stabilität von Festelektrolyten zu verbessern, sind weitere Grundlagenforschung und technologische Durchbrüche erforderlich.