Polovodičové baterie: Kdy se „náhradníci“ stanou „hlavními“?

Pevné bateriese objevují jako zdroj energie nové generace, ale hybridní baterie typu solid-kapalina se pravděpodobně nejdříve komercializují a fungují jako zásadní most mezi dnešními tekutými lithium-iontovými články a budoucími celopevnými systémy.

Co jsou to polovodičové baterie

Pevné baterie nahrazují hořlavé kapalné elektrolyty pevnými materiály a zároveň umožňují vyšší hustotu energie a lepší bezpečnost. Jejich katody mohou používat vysokoenergetické materiály, jako jsou sloučeniny na bázi manganu bohaté na lithium, zatímco anoda může kombinovat nano-křemík a grafit, aby posunula hustotu energie směrem k 300–450 Wh/kg.

Pevný elektrolyt nese ionty lithia bez rizika úniku a významně snižuje pravděpodobnost tepelného úniku.

Anody s vyšší kapacitou a vysokonapěťové katody dávají polovodičovým bateriím potenciál pro delší dojezd v elektromobilech a lepší výdrž v dronech nebo systémech pro ukládání energie.

Hybridní pevná látka-kapalina jako přechod

Článek rozlišuje lithiové baterie na kapalné, hybridní pevné-kapalinové a plně pevné lithiové baterie, přičemž zdůrazňuje, že hybridní konstrukce jsou zásadní přechodovou fází. Polotuhé, kvazipevné a „pevné“ baterie na trhu z velké části spadají do této hybridní kategorie, liší se pouze poměrem kapalného a pevného elektrolytu.

Hybridní tuho-kapalné baterie stále obsahují kapalný elektrolyt, který zlepšuje kontakt s aktivními materiály a usnadňuje výrobu.

Plnopevné baterie obsahují pouze pevný elektrolyt, nabízejí lepší jiskrovou bezpečnost a vyšší teoretickou hustotu energie, ale dnes čelí závažnějším technickým problémům.

Technické bariéry plného pevného stavu

Přestože mnoho společností a výzkumných ústavů po celém světě investuje do polovodičové technologie, žádný velkokapacitní polovodičový napájecí článek se dosud nevyrovnal kapalným lithium-iontovým bateriím jak výkonem, tak cenou. Hlavní problém spočívá na rozhraní pevná látka-pevná látka, kde tuhé elektrolytické materiály ztěžují udržování těsného kontaktu s elektrodami během cyklování a změn objemu.

Současné cesty zahrnují polymerové, tenkovrstvé, sulfidové a oxidové polovodičové baterie, z nichž každá má své výhody a omezení.

Polymerní články v pevné fázi se například potýkají při pokojové teplotě a s vysokonapěťovými katodami, zatímco sulfidové systémy jsou citlivé na vzduch a vyžadují náročné výrobní podmínky.

Strategie tuhnutí in-situ

K překonání problémů s rozhraním při současném využití stávající lithium-iontové infrastruktury navrhují výzkumníci in-situ solidifikační přístup pro hybridní pevné a kapalné elektrolyty. Během sestavování buněk zajišťuje tekutý prekurzor dobré smáčení a kontakt; později chemické nebo elektrochemické reakce přemění celou nebo část této kapaliny na pevný elektrolyt uvnitř článku.

Tato metoda zlepšuje kontakt elektroda-elektrolyt, potlačuje růst lithiového dendritu a vyvažuje bezpečnost, vysoké napětí a výkon při rychlém nabíjení.

Může také znovu použít velkou část současného tekutého lithium-iontového výrobního procesu, což výrobcům pomáhá rychleji škálovat a snižovat náklady.

Budoucí směry vývoje

Odborníci očekávají, že plně polovodičové lithiové baterie budou potřebovat zhruba dalších pět let, než dojde ke skutečné komercializaci ve velkém měřítku, takže hybridní pevné a kapalné baterie zůstávají realistickou krátkodobou cestou. Aby se urychlila industrializace, článek zdůrazňuje potřebu koordinovaného pokroku v oblasti materiálů, návrhu článků, výroby a norem.

Mezi priority patří: vývoj pevných elektrolytů s vyváženou iontovou vodivostí, stabilitou a zpracovatelností; přizpůsobení vysokoenergetických elektrod, jako jsou katody s vysokým obsahem niklu a anody z křemíku a uhlíku nebo lithia; a integraci digitální simulace s inteligentní výrobou.

Průmysl je vybízen k tomu, aby vybudoval robustní dodavatelské řetězce pro klíčové materiály, investoval do automatizovaného vybavení, zdokonalil testovací a vyhodnocovací systémy a postupně se vyvíjel z hybridních pevných a kapalných lithium-iontové bateriesměrem k plně polovodičovým lithiovým kovovým bateriím.