Solid-state-akut: seuraavan sukupolven akkureitti

Solid-state-akut: seuraavan sukupolven akkureitti

Toukokuun 14. päivänä "The Korea Timesin" ja muiden tiedotusvälineiden mukaan Samsung aikoo tehdä yhteistyötä Hyundain kanssa kehittääkseen sähköajoneuvoja ja toimittaakseen tehoakkuja ja muita kytkettyjä auton osia Hyundai-sähköajoneuvoihin. Media ennustaa, että Samsung ja Hyundai allekirjoittavat pian ei-sitovan yhteisymmärryspöytäkirjan akkutoimituksista. On raportoitu, että Samsung esitteli uusimman puolijohdeakkunsa Hyundaille.

Samsungin mukaan, kun sen prototyyppiakku on ladattu täyteen, se voi antaa sähköauton ajaa yli 800 kilometriä kerrallaan ja akun käyttöikä on yli 1,000 kertaa. Sen tilavuus on 50 % pienempi kuin saman kapasiteetin litiumioniakun. Tästä syystä puolijohdeakkuja pidetään sähköajoneuvojen sopivimpana tehoakkuina seuraavan kymmenen vuoden aikana.

Maaliskuun 2020 alussa Samsung Institute for Advanced Study (SAIT) ja Samsung Research Center of Japan (SRJ) julkaisivat Nature Energy -lehdessä "Highenergy-pitkäpyöräiset täyskiinteät litiummetalliakut, jotka mahdollistavat hopean". -Hiilikomposiittianodit" esitteli uusimman kehitystyönsä solid-state-akkujen alalla.

Tämä akku käyttää kiinteää elektrolyyttiä, joka ei ole syttyvä korkeissa lämpötiloissa ja voi myös estää litiumdendriittien kasvua puhkaisuoikosulkujen välttämiseksi. Lisäksi se käyttää anodina hopea-hiili (Ag-C) -komposiittikerrosta, joka voi nostaa energiatiheyden 900 Wh/L:iin, sen pitkä käyttöikä on yli 1000 sykliä ja erittäin korkea kulloinen hyötysuhde (lataus). ja purkausteho) 99.8 %. Se voi ajaa akkua yhden maksun jälkeen. Autolla ajettiin 800 kilometriä.

Paperin julkaisseet SAIT ja SRJ ovat kuitenkin tieteellisiä tutkimuslaitoksia eikä teknologiaan keskittyvää Samsung SDI:tä. Artikkeli vain selventää uuden akun periaatetta, rakennetta ja suorituskykyä. Alustavan arvion mukaan akku on vielä laboratoriovaiheessa ja sen massatuotanto on lyhyessä ajassa vaikeaa.

Ero solid-state-akkujen ja perinteisten nestemäisten litiumioniakkujen välillä on se, että elektrolyyttien ja erottimien sijasta käytetään kiinteitä elektrolyyttejä. Litiumilla interkaloituja grafiittianodeja ei tarvitse käyttää. Sen sijaan anodina käytetään metallilitiumia, mikä vähentää anodimateriaalien määrää. Tehoakut, joilla on korkeampi kehon energiatiheys (>350Wh/kg) ja pidempi käyttöikä (>5000 sykliä), sekä erikoistoiminnot (kuten joustavuus) ja muut vaatimukset.

Uudet järjestelmäakut sisältävät solid-state-akut, litiumvirtausakut ja metalli-ilma-akut. Kolmella solid-state-akulla on etunsa. Polymeerielektrolyytit ovat orgaanisia elektrolyyttejä ja oksidit ja sulfidit ovat epäorgaanisia keraamisia elektrolyyttejä.

Kun tarkastellaan globaaleja solid-state-akkuyrityksiä, on start-up-yrityksiä ja myös kansainvälisiä valmistajia. Yritykset ovat yksin elektrolyyttijärjestelmässä erilaisten uskomusten kanssa, eikä teknologian virtausta tai integraatiota ole havaittavissa. Tällä hetkellä jotkin tekniset reitit ovat lähellä teollistumisen edellytyksiä, ja tie solid-state-akkujen automatisointiin on ollut käynnissä.

Eurooppalaiset ja amerikkalaiset yritykset suosivat polymeeri- ja oksidijärjestelmiä. Ranskalainen Bolloré otti johtoaseman polymeeripohjaisten solid-state-akkujen kaupallistamisessa. Joulukuussa 2011 sen sähköautot, jotka toimivat 30 kWh solid-state polymeeriakuilla + sähköisillä kaksikerroksisilla kondensaattoreilla, tulivat yhteisille automarkkinoille, mikä oli ensimmäinen kerta maailmassa. Kaupalliset solid-state-akut sähköautoihin.

Brittiläinen kodinkonejätti Dyson osti ohutkalvooksidiakkujen valmistajan Sakti3:n vuonna 2015. Siihen vaikuttavat ohutkalvon valmistuksen kustannukset ja laajamittaisen tuotannon vaikeus, eikä massaa ole ollut. tuotantotuotetta pitkään.

Maxwellin puolijohdeakkujen suunnitelma on päästä ensin pienten akkujen markkinoille, valmistaa ne massatuotantona vuonna 2020 ja käyttää niitä energian varastoinnissa vuonna 2022. Nopean kaupallisen sovelluksen vuoksi Maxwell voi ensin harkita puolijohdeakkujen kokeilua. kiinteitä akkuja lyhyellä aikavälillä. Silti puolikiinteät akut ovat kalliimpia ja niitä käytetään ensisijaisesti tietyillä kysyntäalueilla, mikä tekee laajamittaisista sovelluksista vaikeaa.

Ei-ohutkalvoisilla oksidituotteilla on erinomainen yleinen suorituskyky, ja ne ovat tällä hetkellä suosittuja kehitteillä. Sekä Taiwan Huineng että Jiangsu Qingdao ovat tunnettuja pelaajia tällä radalla.

Japanilaiset ja korealaiset yritykset ovat sitoutuneempia ratkaisemaan sulfidijärjestelmän teollistumisongelmia. Edustavat yritykset, kuten Toyota ja Samsung, ovat nopeuttaneet käyttöönottoaan. Solid-state-akuilla (litium-rikkiakuilla) on valtava kehityspotentiaali korkean energiatiheyden ja alhaisten kustannustensa vuoksi. Niistä Toyotan tekniikka on edistynein. Se julkaisi ampeeritason demo-akut ja sähkökemiallisen suorituskyvyn. Samaan aikaan he käyttivät myös LGPS:ää, jolla oli korkeampi huonelämpötilan johtavuus elektrolyyttinä suuremman akun valmistukseen.

Japani on käynnistänyt valtakunnallisen tutkimus- ja kehitysohjelman. Lupaavin liittouma on Toyota ja Panasonic (Toyotalla on lähes 300 insinööriä, jotka ovat mukana kehittämässä solid-state-akkuja). Se sanoi kaupallistavansa solid-state-akut viiden vuoden sisällä.

Toyotan ja NEDOn kehittämä solid-state-akkujen kaupallistamissuunnitelma alkaa täysin solid-state-akkujen (ensimmäisen sukupolven akkujen) kehittämisellä käyttämällä olemassa olevia LIB-akkuja, jotka ovat piristäviä ja haitallisia materiaaleja. Sen jälkeen se käyttää uusia positiivisia ja negatiivisia materiaaleja lisätäkseen energiatiheyttä (seuraavan sukupolven akut). Toyotan odotetaan valmistavan prototyyppejä solid-state-sähköajoneuvoista vuonna 2022, ja se käyttää solid-state-akkuja joissakin malleissa vuonna 2025. Vuonna 2030 energiatiheys voi nousta 500 Wh/kg massatuotantosovelluksiin.

Patenttien näkökulmasta 20 suurimman solid-state-litium-akkujen patentinhakijan joukossa japanilaisia ​​yrityksiä oli 11. Toyota haki eniten, 1,709 2.2, 10 kertaa toisen Panasonicin verrattuna. Top 8 yritystä ovat kaikki japanilaisia ​​ja eteläkorealaisia, mukaan lukien 2 Japanissa ja XNUMX Etelä-Koreassa.

Patentinhaltijoiden maailmanlaajuisen patenttiasettelun näkökulmasta Japani, Yhdysvallat, Kiina, Etelä-Korea ja Eurooppa ovat avainmaita tai -alueita. Paikallisten hakemusten lisäksi Toyotalla on eniten hakemuksia Yhdysvalloissa ja Kiinassa, joiden osuus kaikista patenttihakemuksista on 14.7 % ja 12.9 %.

Myös puolijohdeakkujen teollistamista kotimaassani tutkitaan jatkuvasti. Kiinan teknisen reittisuunnitelman mukaan vuonna 2020 se toteuttaa vähitellen kiinteän elektrolyytin, korkean ominaisenergian katodimateriaalin synteesin ja kolmiulotteisen runkorakenteen litiumseoksesta rakennusteknologian. Se tunnistaa 300Wh/kg pienen kapasiteetin yksittäisen akun näytevalmistuksen. Vuonna 2025 solid-state-akun käyttöliittymän ohjaustekniikka toteuttaa 400Wh/kg suuren kapasiteetin yksittäisakun näyte- ja ryhmäteknologian. On odotettavissa, että solid-state-akkuja ja litium-rikkiakkuja voidaan valmistaa ja markkinoida massatuotantona vuonna 2030.

CATL:n IPO-varainhankinnan seuraavan sukupolven akut sisältävät solid-state-akut. NE Timesin raporttien mukaan CATL odottaa saavuttavansa solid-state-akkujen massatuotannon ainakin vuoteen 2025 mennessä.

Kokonaisuutena polymeerijärjestelmäteknologia on kypsin ja ensimmäinen EV-tason tuote syntyy. Sen käsitteellinen ja tulevaisuuteen suuntautuva luonne on nopeuttanut myöhään tulokkaiden tutkimus- ja kehitysinvestointeja, mutta suorituskyvyn yläraja rajoittaa kasvua, ja yhdistäminen epäorgaanisilla kiinteillä elektrolyyteillä on mahdollinen ratkaisu tulevaisuudessa; hapettuminen; Materiaalijärjestelmässä ohutkalvotyyppien kehittäminen keskittyy kapasiteetin laajentamiseen ja laajamittaiseen tuotantoon, ja muiden kuin kalvotyyppien yleinen suorituskyky on parempi, mikä on nykyisen tutkimuksen ja kehityksen painopiste; sulfidijärjestelmä on lupaavin solid-state-akkujärjestelmä sähköajoneuvojen alalla, mutta polarisoituneessa tilanteessa, jossa on valtava kasvuvara ja kehittymätön teknologia, turvallisuus- ja käyttöliittymäongelmien ratkaiseminen on tulevaisuuden painopiste.

Solid-state-akkujen kohtaamat haasteet ovat pääasiassa:

• Kustannusten vähentäminen.
• Kiinteiden elektrolyyttien turvallisuuden parantaminen.
• Elektrodien ja elektrolyyttien välisen kosketuksen ylläpitäminen latauksen ja purkamisen aikana.

Litium-rikkiakut, litium-ilma ja muut järjestelmät on vaihdettava koko akun rakenteen runkoon, ja merkittäviä ongelmia syntyy yhä enemmän. Solid-state-akkujen positiiviset ja negatiiviset elektrodit voivat jatkaa nykyisen järjestelmän käyttöä, ja toteuttamisvaikeus on suhteellisen pieni. Seuraavan sukupolven akkuteknologiana solid-state-akuilla on korkeampi turvallisuus ja energiatiheys, ja niistä tulee ainoa tapa litiumin jälkeisellä aikakaudella.