sedan kommersialiserades 1991 har litiumjonbatterier fått en världsomspännande framgång. Detta kan dock inte dölja sina inneboende begränsningar när det gäller säkerhet, prestanda, formfaktor och kostnader.
de flesta nuvarande litiumjonteknologier använder flytande elektrolyt, med litiumsalter som LiPF6, LiBF4 eller LiClO4 i ett organiskt lösningsmedel. Det fasta elektrolytgränssnittet, som orsakas som ett resultat av elektrolytens de-sammansättning vid den negativa elektroden, begränsar emellertid den effektiva konduktansen. Vidare behöver flytande elektrolyt dyra membran för att separera katoden och anoden, liksom ett ogenomträngligt hölje för att undvika läckage. Därför begränsas storleken och designfriheten för dessa batterier. Dessutom har flytande elektrolyter säkerhets-och hälsoproblem eftersom de använder brandfarliga och frätande vätskor. Samsungs Firegate har särskilt belyst riskerna som även stora företag drabbas av när brandfarliga flytande elektrolyter används.
nuvarande avancerade litiumjonbatterier kan nå en energitäthet på över 700 Wh / L på cellnivå, med ett maximalt körområde på cirka 500 Km för elfordon. De högnickelkatodmaterial som förbättras kan ytterligare driva energitätheten men egenskaperna hos de aktiva materialen kan dra en tröskel.
Solid – state-batterier kan vara en spelväxlare
Solid-state electrolyte möjliggör integration av bättre utförda material som litiummetall och högspänningskatodmaterial. Det har emellertid observerats att de tidiga generationens halvledarbatterier kan innehålla liknande typer av aktiva elektrodmaterial, varvid den flytande elektrolyten ersätts av halvledarelektrolyt. I detta fall har solid state-batterier ingen uppenbar fördel jämfört med vätskebaserade litiumjonbatterier när det gäller energitäthet.
solid state-batterier ger dock fortfarande värden i detta fall. Eftersom både elektroderna och elektrolyten är fast tillstånd, uppträder den fasta elektrolyten också som separator, vilket möjliggör volym och viktminskning på grund av eliminering av vissa komponenter (t.ex. separator och hölje). De tillåter mer kompakt arrangemang av celler i batteriet. Till exempel möjliggör bipolärt arrangemang högre spänning och kapacitet på cellnivå. Den förenklade anslutningen ger extra utrymme i batteriet för fler celler.dessutom kan avlägsnande av brandfarliga vätskeelektrolyter vara en väg för säkrare, långvariga batterier eftersom de är mer motståndskraftiga mot temperaturförändringar och fysiska skador inträffade under användning. Solid state-batterier kan hantera fler laddnings – / urladdningscykler före nedbrytning, vilket lovar en längre livslängd. Bättre säkerhet innebär mindre säkerhetsövervakningselektronik i batterimodulerna/förpackningarna.
därför kan även de initiala generationerna av solid state-batterier ha liknande eller till och med mindre energitäthet än konventionella litiumjonbatterier, den energi som finns i batteriet kan vara jämförbar eller till och med högre än den senare.
med det större elektrokemiska fönstret som de fasta elektrolyterna kan tillhandahålla kan högspänningskatodmaterial användas. Dessutom kan litiummetallanod med hög energidensitet ytterligare driva energitätheten över 1000 Wh/L. dessa funktioner kan ytterligare göra solid state-batteri till en spelväxlare.
konkurrerande tekniker gör beslutet svårt
investeringar i olika solid state-batteriföretag återspeglade den enorma potentialen hos solid state-batterier. Solid state-batteriet är dock inte baserat på en enda teknik. Istället finns det flera tekniska metoder tillgängliga i branschen. Fasta elektrolyter kan grovt segmenteras i tre kategorier: organiska typer, oorganiska typer och komposit. Inom den oorganiska kategorin anses LISICON-liknande, argyroditer, granat, NASICON-liknande, perovskit, LiPON, Li-hydrid och Li-Halid som 8 populära typer. LISICON-liknande och argyroditer tillhör sulfidsystem, medan granat, NASICON-liknande, perovskit och LiPON är baserade på oxidsystem.
loppet mellan polymer -, oxid-och sulfidsystem är oklart hittills och det är vanligt att se batteriföretag som försöker flera tillvägagångssätt. polymersystem är lätta att bearbeta och de är närmast kommersialisering, medan den relativt höga driftstemperaturen, låg antioxidpotential och sämre stabilitet indikerar utmaningar. Sulfidelektrolyter har fördelar med hög jonisk ledningsförmåga, låg bearbetningstemperatur, brett elektrokemiskt stabilitetsfönster etc. Många funktioner gör dem tilltalande, betraktas av många som det ultimata alternativet. Svårigheten att tillverka och den giftiga biprodukten som kan genereras i processen gör emellertid kommersialiseringen relativt långsam. Oxidsystemet är stabilt och säkert, medan det högre gränssnittsmotståndet och den höga bearbetningstemperaturen visar vissa svårigheter i allmänhet.
i denna rapport introduceras, analyseras och benchmarkeras detaljerad teknik. För att få en bättre förståelse för solid state-batteriteknik, spelare, marknader, möjligheter, utmaningar och mer, se Idtechexs rapport ”Solid State and Polymer Batteries 2020-2030: teknik, patent, prognoser, spelare”, www.IDTechEx.com/SSB eller för hela portföljen av energilagring forskning tillgänglig från IDTechEx besök www.IDTechEx.com/Research/ES.
IDTechEx guidar dina strategiska affärsbeslut genom sina forsknings -, konsult-och Evenemangsprodukter, vilket hjälper dig att dra nytta av ny teknik. For more information on IDTechEx Research and Consultancy, contact or visit www.IDTechEx.com.
Media Contact:
Natalie Moreton
Digital Marketing Manager
+44(0)1223 812300