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 fő különbség az ASSB-k és a LIB-k között az elektrolitok összetétele. A hagyományos LIB-k folyékony vagy gél elektrolitot tartalmaznak, míg az ASSB-k szilárd elektrolitokat használnak. Jelenleg számos szilárd elektrolitot kutatnak, beleértve a kerámiákat, polimereket, gyantákat és üvegkompozitokat/1/. A LIB-k bizonyos biztonsági aggályokat vetnek fel gyúlékony természetük miatt, amelyeket az ASSB-k javíthatnak, csökkentve a szivárgás, a hő kitörés kockázatát, és a dendritképződés.

Amellett, hogy javítják a biztonságot, a szilárdtest akkumulátorok nagyobb energiasűrűséget is kínálnak a hagyományos LIB-ekhez képest. Ez azt jelenti, hogy az ASSB-k több energiát tudnak tárolni ugyanannyi helyen, így különösen vonzóak olyan alkalmazások számára, amelyek kompakt energiatároló megoldásokat igényelnek, mint például az elektromos járművek és a hordozható elektronika.

  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:

  • A szilárd elektrolitok csökkentett vezetőképessége szobahőmérsékleten.
  • Megnövelt impedancia az interfészeknél.
  • Hibamentes interfészek gyártása és karbantartása

A szilárd elektrolitok csökkent vezetőképessége szobahőmérsékleten

A szilárdtest akkumulátorok ion vezetőképessége alacsonyabb a hagyományos folyékony elektrolit akkumulátorokhoz képest, a szilárd elektrolitok sajátossága miatt. Az ionok nem mozognak olyan szabadon szilárd anyagokban vagy akár polimerekben, mint folyadékokban, mert az ionoknak át kell haladniuk a rácsokon és a szemcsehatárokon. A Li+ szilárd elektrolitok vezetőképessége általában 2-4 nagyságrenddel alacsonyabb, mint a folyékony elektrolitoké /2,3/. Ez a csökkent mobilitás egy magasabb aktiválási energiagáthoz kapcsolódik, és hőmérsékletfüggő. Az ömlesztett vezetőképesség az Arrhenius-törvényt követi, amely az egyenáramú ion vezetőképességre (σ) és a hőmérsékletre (T) vonatkozik az (1.) egyenlet szerint:

σ=σ0exp(−EaKb T)              (1)

ahol:

  • σ a DC ion vezetőképesség
  • σ0 a preexponenciális tényező
  • Ea az aktiválási energia (J)
  • Kb a Boltzmann-állandó (8,61 x 10-5 eV·K-1)
  • T az abszolút hőmérséklet (K).

Magasabb hőmérsékleten az ionok több hőenergiával rendelkeznek, ami segít leküzdeni az aktiválási energiagátakat, és szabadabban mozognak a szilárd elektrolit rácson. Ennek eredményeként a szilárd elektrolitok ionvezetőképessége nő a magasabb hőmérséklettel.

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, kapacitásfakulást, 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.
  • Thermal Analysis Techniques: 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/