Mik azok a teljesen szilárdtest akkumulátorok?

Mik azok a teljesen szilárdtest akkumulátorok?

Ez a cikk a BioLogic oldalán megjelent publikáció magyarra lefordított verziója

Bevezetés

A szilárdtest akkumulátorok (All-solid-state batteries (ASSBs) ígéretes megoldást jelentenek a hagyományos lítium-ion akkumulátorok ( lithium-ion batteries (LIB) korlátainak kezelésére. Ezek a szilárdtest akkumulátorok lehetőséget kínálnak arra, hogy forradalmasítsák az iparágakat, az elektromos járművektől a megújuló energiarendszerekig. A LIB-ben található folyékony elektrolit szilárd anyagokkal való helyettesítésével az ASSB-k célja a biztonság növelése, az energiasűrűség növelése és az energiatároló rendszerek teljes élettartamának meghosszabbítása. Ebben a cikkben bemutatjuk a teljesen szilárdtest akkumulátorokat, a LIB-k hasonlóságait és különbségeit, a folyamatban lévő kutatási kihívásokat és a műszerekkel kapcsolatos követelményeket.

A szilárd elektrolit csökkentheti egyes folyékony elektrolitok gyúlékonyságából és szivárgásából eredő kockázatokat. Ez nem jelenti a termikus meghibásodás vagy a lítiumfilamentumok automatikus kizárását; a teljes cella biztonságát vizsgálni kell.

Az ASSB-k célja nagyobb energiasűrűség elérése, például megfelelő elektródanyagokkal és vékony elektrolitréteggel. A tényleges értéket a teljes cella felépítése határozza meg; a szilárd elektrolit önmagában nem garantál nagyobb energiasűrűséget.

1. ábra: Egy hagyományos lítium-ion akkumulátor (balra) és egy teljesen szilárdtest akkumulátor (jobbra) felépítésének vázlatos összehasonlítása.

SZILÁRDTEST AKKUMULÁTOROK: Kutatási törekvések és akadályok

A folyékony elektrolitokról a szilárd elektrolitokra való átállás saját kihívásokat vet fel. Néhány ilyen kihívás a következőket tartalmazza:

• Ionvezetőképesség és hőmérsékletfüggés
• Megnövelt impedancia az interfészeknél.
• Hibamentes interfészek gyártása és karbantartása

Ionvezetőképesség és hőmérsékletfüggés

A szilárd elektrolitok vezetőképessége erősen anyag- és hőmérsékletfüggő; nem általános, hogy minden szilárd elektrolit több nagyságrenddel rosszabb vezető a folyadékoknál. Kato és munkatársai például 25 mS/cm vezetőképességű szulfid szuperionos vezetőt közöltek. Elsődleges kutatási közlemény. A rácson belüli és szemcsehatár-transzportot külön is mérlegelni kell. Egy egyszerű Arrhenius-modell:

σ = σ₀ exp[−Eₐ/(kᵦT)]. Csak abban a hőmérsékleti tartományban használjuk, ahol az adott modell leírja az adatokat.

ahol:

• σ a DC ionvezetőképesség
• σ₀ a preexponenciális tényező
• Eₐ az aktiválási energia; az eV/K egységű kᵦ mellett eV-ban kell megadni.
• kᵦ = 8,617333262 × 10⁻⁵ eV/K (vagy 1,380649 × 10⁻²³ J/K, ha Eₐ joule-ban adott).
• T az abszolút hőmérséklet (K).

Az Arrhenius-modellben pozitív aktiválási energia esetén a vezetőképesség nő a hőmérséklettel. Fázisátalakulás, más transzportmechanizmus vagy kémiai változás miatt azonban nem biztos, hogy egyetlen illesztés minden hőmérsékletre érvényes.

Megnövelt impedancia a határfelületeken

Az ASSB-k határfelületeken magasabb impedancia figyelhető meg a szilárd-szilárd interfészek összetett természete és a szilárd elektrolitokon keresztüli iontranszport velejárója miatt. Ez elektrokémiai és fizikai tényezők kombinációjának köszönhető, beleértve a csökkent iontranszportot, a töltésátviteli kinetikát és a határfelületi réteg kialakulását.

Hibamentes határfelületek gyártása és karbantartása

Egy másik kihívás a gyártási folyamat, mivel az elektróda és az elektrolit anyagok közötti egységes és hibamentes interfész fontos az akkumulátor teljesítményének fenntartásához. Az ASSB-k tágulása és összehúzódása miatt is meghibásódhatnak, miközben töltési és kisütési cikluson mennek keresztül. Ezt a jelenséget, amelyet térfogat- vagy méretváltozásnak neveznek, elsősorban az elektrokémiai reakciók során a szilárd elektródák anyagába történő ionok beillesztése és kivonása okozza. Ezek a térfogatváltozások mechanikai igénybevételt, kapacitásvesztést, dendritképződést és interfész instabilitást okozhatnak, ami befolyásolhatja az akkumulátor teljes ciklusidejét azáltal, hogy visszafordíthatatlan károkat okoz az anyagokban, sőt a szilárd elektrolit-elektróda interfész katasztrofális meghibásodását is okozhatja.

Sok ígéretes szilárd elektrolit anyagot azonosítottak, de még mindig optimalizálni kell a teljesítmény, a stabilitás és a gyártás egyszerűsége érdekében.

1. ábra: A szilárdtest akkumulátorok kutatása és tesztelése során használt elektrokémiai műszerek köre.

ASSB technológia fejlesztése és tesztelése

A potenciosztátok, a nagy impedanciájú elemzők és az akkumulátor teszterek ( töltés/kisütés ciklusok kivitelezése és elemzése) alapvető fontosságúak mind a LIB-k, mind az ASSB-k teszteléséhez, és a teljes akkumulátor-értékláncon keresztül használatosak: az anyagok és alkatrészek kutatásától a teljes cella teszteléséig és validálásáig.

• Röntgendiffrakció (XRD): Segít a kutatóknak az anyagok kristályszerkezetének elemzésében, betekintést nyújtva azok stabilitásába és viselkedésébe a töltési és kisütési ciklusok során.
• Pásztázó elektronmikroszkópia (SEM): Lehetővé teszi a kutatók számára, hogy megvizsgálják az akkumulátor-alkatrészek mikroszerkezetét, segítve a teljesítményt befolyásoló hibák vagy szabálytalanságok azonosítását.
• Pásztázó elektrokémiai mikroszkópia (SECM): Lehetőséget kínál a kutatóknak egy minta lokális elektrokémiájának tanulmányozására, különös tekintettel a szemcse és a szemcsehatárok vezetőképességében mutatkozó helyi különbségek tanulmányozására.
• Termikus analitikai módszerek: Ezek a technikák segítenek a kutatóknak megérteni az akkumulátor anyagok termikus viselkedését és stabilitását.

Az elektrokémiai folyamatok pontos vezérlésével ezek a rendszerek lehetővé teszik a kutatóknak, hogy mélyebben tanulmányozzák az akkumulátor részeinek tulajdonságait és értékeljék a teljesítményüket különféle körülmények között.

Következtetés

A teljesen szilárdtest akkumulátorok fejlesztése jelentős előrelépést jelent az energiatárolási technológia terén. A biztonság növelésében, az energiasűrűség növelésében és az új alkalmazások lehetővé tételében rejlő lehetőségük egy fenntarthatóbb és hatékonyabb energiajövőt ígér. Míg az anyagfejlesztés, a gyártás és a teljesítményoptimalizálás terén továbbra is kihívások állnak fenn, a folyamatos kutatási erőfeszítések és a fejlett műszerezés folyamatosan feszegeti ennek a technológiának a határait. Amint ezeket az akadályokat leküzdjük, a teljesen szilárdtest akkumulátorok átalakíthatják az iparágakat, és kulcsszerepet játszhatnak a tisztább és hatékonyabb energiarendszerekre való globális átállásban.

Referenciák:

1. Lim, H.-D. et al. A review of challenges and issues concerning interfaces for all-solid-state batteries. Energy Storage Mater 25, 224–250 (2020).
2. Kasemchainan, J. & Bruce, P. G. All-solid-state batteries and their remaining challenges. Johnson Matthey Technology Review 62, 177–180 (2018).
3. Lou, S. et al. Interface Issues and Challenges in All-Solid-State Batteries: Lithium, Sodium, and Beyond. Advanced Materials vol. 33 Preprint at https://doi.org/10.1002/adma.202000721 (2021).

1. The electrical conductivity of solid electrolytes
2. https://ec-labor.hu/differencialkapacitas/
3. https://ec-labor.hu/akkumulatorok-toltes-kisutes/

Saját példa az Arrhenius-összefüggésre

Ha Eₐ = 0,30 eV és σ₀ változatlan, akkor σ(323 K)/σ(298 K) = exp[(0,30/kᵦ) × (1/298 − 1/323)] ≈ 2,47. Ez idealizált arány, nem mért anyagadat. Az abszolút vezetőképességhez σ₀ vagy egy ismert referenciaérték is kell.

A mérési jegyzőkönyvben rögzítse a minta vastagságát, elektródfelületét, hőmérsékletét, kontaktusát és alkalmazott nyomását. A térfogati, szemcsehatár- és elektródhatárfelületi hozzájárulások szétválasztását támassza alá a modellel és a mérési tartománnyal. Kapcsolódó EIS-útmutató.