Katı hal pil - Solid-state battery

Bir katı hal pil a, pil bir katı kullanan teknoloji elektrotlar ve bir katı elektrolit , sıvı ya da bunun yerine, bir polimer jeli elektrolitler bulunan lityum-iyon ya da lityum polimer pil.

Katı elektrolitler ilk olarak 19. yüzyılda keşfedilmiş olsa da, düşük enerji yoğunlukları gibi çeşitli dezavantajlar yaygın uygulamayı engellemiştir. 20. yüzyılın sonlarında ve 21. yüzyılın başlarındaki gelişmeler, özellikle elektrikli araçlar bağlamında, katı hal pil teknolojilerine 2010'lardan başlayarak yeniden ilgi duymaya neden oldu .

Katı hal pillerinde katı elektrolitler olarak kullanılması önerilen malzemeler arasında seramikler (örn. oksitler, sülfürler, fosfatlar) ve katı polimerler bulunur. Katı hal piller kalp pillerinde , RFID'de ve giyilebilir cihazlarda kullanım alanı bulmuştur . Daha yüksek enerji yoğunlukları ile potansiyel olarak daha güvenlidirler, ancak çok daha yüksek bir maliyetle. Yaygın kabulün önündeki zorluklar arasında enerji ve güç yoğunluğu , dayanıklılık , malzeme maliyetleri , hassasiyet ve kararlılık yer alır.

Tarih

1831 ve 1834 yılları arasında Michael Faraday , katı hal iyoniklerinin temelini oluşturan katı elektrolitler gümüş sülfür ve kurşun(II) florürü keşfetti .

1950'lerin sonunda, birkaç elektrokimyasal sistem katı elektrolitler kullandı. Gümüş iyon kullandılar , ancak düşük enerji yoğunluğu ve hücre voltajları ve yüksek iç direnç gibi bazı istenmeyen niteliklere sahiptiler. Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı tarafından geliştirilen yeni bir katı hal elektrolit sınıfı 1990'larda ortaya çıktı ve daha sonra ince film lityum iyon piller yapmak için kullanıldı .

Teknoloji yeni binyıla doğru ilerledikçe, otomotiv ve ulaşım endüstrilerinde faaliyet gösteren araştırmacılar ve şirketler, katı hal pil teknolojilerine yeniden ilgi duymaya başladılar. 2011 yılında Bolloré hizmet Carsharing ilk işbirliği içinde, onların BlueCar modeli otomobil filosu başlattı Autolib ve daha sonra perakende müşterilerine yayınladı. Otomobil, şirketin uygulamada elektrikle çalışan hücre çeşitliliğini sergilemeyi amaçlıyordu ve lityum tuzunun bir kopolimerde ( polioksietilen ) çözülmesiyle oluşturulan polimerik elektrolitli 30 kWh lityum metal polimer (LMP) pile sahipti .

2012'de Toyota, kısa süre sonra aynı şeyi izledi ve EV pazarında rekabetçi kalabilmek için otomotiv endüstrisindeki uygulamalar için katı hal pilleri konusunda deneysel araştırmalar yapmaya başladı . Aynı zamanda Volkswagen , teknolojide uzmanlaşmış küçük teknoloji şirketleriyle ortaklık kurmaya başladı.

Bir dizi teknolojik atılım gerçekleşti. 2013 yılında , Colorado Boulder Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, halihazırda var olan SSB'lere kıyasla daha yüksek enerji kapasitesi vaat eden, demir - kükürt kimyasına dayalı katı bir kompozit katot ile katı hal lityum pilin geliştirildiğini duyurdular. Daha sonra 2014 yılında, MI merkezli girişim olan Ann-Arbor'daki araştırmacılar Sakti3 kendi katı hal lityum iyon pillerinin yapımını duyurdular ve bunun daha düşük maliyetler için daha da yüksek enerji yoğunluğu sağladığını iddia ettiler; Buna karşılık, ev aletleri üreticisi Dyson stratejik olarak Sakti3'ü 90 milyon dolara satın aldı.

2017 yılında , Li-ion pillerin mucidi John Goodenough , bir cam elektrolit ve lityum , sodyum veya potasyumdan oluşan bir alkali metal anot kullanan bir katı hal pili ortaya çıkardı . O yılın ilerleyen saatlerinde Toyota , Panasonic ile katı hal piller üzerinde bir işbirliği de dahil olmak üzere onlarca yıllık ortaklığının derinleştiğini duyurdu . Erken dönemdeki yoğun araştırmaları ve diğer endüstri liderleriyle koordineli işbirlikleri nedeniyle Toyota , SSB ile ilgili en fazla patente sahiptir. Bununla birlikte, bağımsız olarak katı hal pil teknolojileri geliştiren diğer otomobil üreticileri, BMW , Honda , Hyundai Motor Company ve Nissan'ı içeren büyüyen bir listeye hızla katıldı . Fisker Inc. , SSB ile çalışan araç uygulamaları için SSB üretimine yönelik tescilli bir şirket içi çözüm üretti, ancak EMotion süper sedanını 2020 yılına kadar ticarileştirilmek üzere tüketici pazarlarına getirmek için agresif ilk hedef, geleneksel EV'ler lehine önemli ölçüde ertelendi. 2020'de Tesla Model Y ile rekabet etmek . Dyson, Sakti3 varlıkları aracılığıyla SSB ile çalışan bir elektrikli araba inşa etme planını duyurdu ve ardından vazgeçti, ancak Dyson'ın sözcüleri şirketin teknolojiye büyük yatırım yapma taahhüdünü yineledi. Buji üreticisi NGK gibi otomotivle ilgili diğer şirketler, geleneksel fosil yakıt paradigmasının algılanan eskimesi karşısında, seramik bazlı katı hal pillere yönelik gelişen talebi karşılamak için iş uzmanlıklarını ve modellerini güçlendirdi.

Colorado Boulder Üniversitesi araştırma ekibinden ayrılan Solid Power, tamamen katı hal kopyalarını üretebilecek küçük bir üretim hattı kurmak için Samsung ve Hyundai'den 20 milyon dolar fon aldığında 2018'de önemli gelişmeler ortaya çıkmaya devam etti. Yılda tahmini 10 megavat saat kapasiteye sahip şarj edilebilir lityum metal pil prototipi . Üniversiteli bir araştırma grubundan (bu örnekte Stanford Üniversitesi ) çıkan bir başka katı hal pil girişimi olan QuantumScape , Volkswagen ekibin araştırmasına 100 milyon dolarlık bir yatırım yaptığını ve yatırımcıların da katıldığı en büyük paydaş olduğunu duyurduğunda aynı yıl dikkatleri üzerine çekti. Bill Gates . Katı hal pillerin seri üretimi için ortak bir üretim projesi oluşturma hedefiyle Volkswagen, Haziran 2020'de QuantumScape'e ek 200 milyon dolar ve 29 Kasım 2020'de NYSE'de QuantumScape IPO 'd ile birleşmenin bir parçası olarak bağışladı. Kensington Capital Acquisition, projeye ek öz sermaye sağlamak için.

Qing Tao, ilk olarak “özel ekipman ve üst düzey dijital ürünler” için SSB tedarik etme niyetiyle 2018'de ilk Çin katı hal pil üretim hattını başlattı; ancak şirket, potansiyel olarak otomotiv alanına genişleme niyetiyle birkaç otomobil üreticisiyle görüştü.

2021'de Toyota , katı hal pillerle çalışan bir prototip elektrikli aracı ortaya çıkaracak ve ayrıca katı hal pilli bir elektrikli araç satan ilk otomobil üreticisi olmayı planlıyor. Solid Power, 2022'nin başlarında "resmi otomotiv yeterlilik sürecine girmeyi" öngörüyor ve QuantumScape, "2024'ün ikinci yarısında seri üretime başlamayı planladı". Benzer şekilde Fisker , katı hal pil teknolojisinin 2023'te "otomotiv sınıfı üretime" hazır olması gerektiğini iddia etti.

26 Şubat 2021'de Fisker, öngörülemeyen zorluklar ve aşılmaz engeller olarak algılanan şirketin SSB girişiminden tamamen vazgeçmeye karar verdiğini duyurdu.

14 Temmuz 2021'de Murata Manufacturing, kulaklık ve diğer giyilebilir cihaz üreticilerine tedarik etmeyi hedefleyerek önümüzdeki aylarda tamamen katı hal pillerin seri üretimine başlayacağını duyurdu. Pil kapasitesi 3.8v'de 25 mAh'ye kadar çıkıyor ve bu da onu kulaklık gibi küçük mobil cihazlar için uygun hale getiriyor, ancak elektrikli araçlar için uygun değil. Lityum İyon hücreleri tipik olarak benzer voltajda 2.000 ila 5.000 mAh sunar.

Malzemeler

Katı hal elektrolitleri aday malzemeleri arasında lityum ortosilikat , cam , sülfürler ve RbAg 4 I 5 gibi seramikler bulunur . Katotlar lityum bazlıdır. Varyantlar arasında LiCoO 2 , LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , LiMn 2 O 4 ve LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 bulunur . Anotlar daha fazla çeşitlilik gösterir ve elektrolit türünden etkilenir. Örnekler arasında In, Ge x Si 1− x , SnO–B 2 O 3 , SnS –P 2 S 5 , Li 2 FeS 2 , FeS, NiP 2 ve Li 2 SiS 3 bulunur .

Katot malzemesi umut verici bir Li-S (katı lityum anot parçası olarak / Li, 2 S hücre) 1670 mAh g teorik özel kapasitesine sahip -1 , "LiCoO etkin değer on kat daha büyük 2 ". Kükürt, sıvı elektrolit uygulamalarında uygun olmayan bir katot oluşturur, çünkü çoğu sıvı elektrolitte çözünür ve pilin ömrünü önemli ölçüde azaltır. Kükürt, katı hal uygulamalarında incelenir. Son zamanlarda, bir Li-S katı hal pilinde umut vaat eden bir seramik tekstil geliştirildi. Bu tekstil, öngörülen enerji yoğunluğuna ulaşmasa da, kükürt yüklemesini gerçekleştirirken iyon iletimini de kolaylaştırdı. "500 μm kalınlığında elektrolit desteği ve %63 elektrolit alanı kullanımı ile" sonucu "71 Wh/kg" oldu. öngörülen enerji yoğunluğu ise 500 Wh/kg idi.

Li-O 2 ayrıca yüksek teorik kapasiteye sahiptir. Bu cihazlarla ilgili temel sorun, anotun ortam atmosferinden yalıtılması gerektiği, katodun ise onunla temas halinde olması gerektiğidir.

Bir Li/ LiFePO 4 pil, elektrikli araçlar için katı hal uygulaması olarak umut vaat ediyor. 2010'da yapılan bir araştırma, bu materyali "USABC-DOE hedeflerini aşan" elektrikli araçlar için şarj edilebilir pillere güvenli bir alternatif olarak sundu.

kullanır

Katı hal piller, kalp pillerinde , RFID'de ve giyilebilir cihazlarda potansiyel kullanım bulmuştur .

Elektrikli araçlar

Hibrit ve plug-in elektrikli arabalar, Li-ion, Nikel-metal hidrit (NiMH) , Kurşun-asit ve Li-ion tarafından yönetilen elektrikli çift katmanlı kapasitör (veya ultrakapasitör) dahil olmak üzere çeşitli pil teknolojileri kullanır .

Zorluklar

Maliyet

Katı hal pilleri, geleneksel olarak pahalıdır ve ölçeklenmesi zor olduğu düşünülen üretim proseslerini kullanır ve pahalı vakum biriktirme ekipmanı gerektirir . Sonuç olarak, tüketici tabanlı uygulamalarda maliyetler engelleyici hale gelir. 2012 yılında, o zamanki teknolojiye dayalı olarak, 20 Ah katı hal pil hücresinin 100.000 ABD Dolarına mal olacağı ve yüksek menzilli bir elektrikli otomobilin bu tür hücrelerden 800 ila 1.000 arasında ihtiyaç duyacağı tahmin edildi. Benzer şekilde, maliyet, akıllı telefonlar gibi diğer alanlarda katı hal pillerin benimsenmesini engelledi .

Sıcaklık ve basınç hassasiyeti

Düşük sıcaklıktaki işlemler zor olabilir. Katı hal piller tarihsel olarak düşük performansa sahipti.

Seramik elektrolitli katı hal piller , elektrotlarla teması sürdürmek için yüksek basınç gerektirir. Seramik ayırıcılı katı hal piller mekanik stresten kırılabilir.

Dendritler

Anottan gelen lityum metal dendrit, ayırıcıyı delip katoda doğru büyüyor.

Katı hal pillerdeki katı lityum (Li) metal anotlar, daha yüksek enerji yoğunlukları , güvenlik ve daha hızlı şarj süreleri için lityum iyon pillerde yedek adaylardır . Bu tür anotlar, Li dendritlerinin oluşumundan ve büyümesinden zarar görme eğilimindedir .

Dendritler , anot ve katot arasındaki ayırıcıya girerek kısa devrelere neden olur . Bu aşırı ısınmaya neden olur ve bu da termal kaçaktan kaynaklanan yangınlara veya patlamalara neden olabilir . Li dendritler kulombik verimliliği azaltır .

Dendritler genellikle şarj ve deşarj sırasında elektrodepozisyon sırasında oluşur . Li iyonları , pil şarj olurken anot yüzeyinde elektronlarla birleşir ve bir lityum metal tabakası oluşturur. İdeal olarak, lityum birikimi anotta eşit olarak gerçekleşir. Ancak büyüme düzensiz ise dendritler oluşur.

Stabil katı elektrolit interfazının (SEI), dendrit büyümesini engellemek ve döngü performansını artırmak için en etkili strateji olduğu bulundu. Katı hal elektrolitleri (SSE'ler), spekülatif kalmasına rağmen dendrit büyümesini önleyebilir. Bir 2018 çalışması , kritik akım yoğunluklarına kadar Li dendrit büyümesini engelleyen nano gözenekli seramik ayırıcıları tanımladı .

Avantajlar

Katı hal pil teknolojisinin, lityum metal anotları etkinleştirerek daha yüksek enerji yoğunlukları (2,5x) sağladığına inanılıyor .

Organik elektrolitler gibi ticari pillerde bulunan tehlikeli veya toksik maddelerin kullanımından kaçınabilirler.

Çoğu sıvı elektrolit yanıcı ve katı elektrolitler yanıcı olmadığından, katı hal pillerin daha düşük alev alma riskine sahip olduğuna inanılmaktadır. Daha az güvenlik sistemine ihtiyaç duyulur, bu da enerji yoğunluğunu daha da artırır. Son araştırmalar, içeride ısı üretiminin, termal kaçak altında sıvı elektrolitli geleneksel pillerin yalnızca ~% 20-30'u olduğunu göstermektedir.

Katı hal pil teknolojisinin daha hızlı şarja izin verdiğine inanılıyor. Daha yüksek voltaj ve daha uzun çevrim ömrü de mümkündür.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar