Τα ιδανικά λάμπουν στην πραγματικότητα: οι μπαταρίες όλων των στερεών κατάστασης θα παραχθούν μαζικά

Στο πλαίσιο του παγκόσμιου μετασχηματισμού ενέργειας, οι νέες ενεργειακές τεχνολογίες αναπτύσσονται ταχέως. Οι μπαταρίες All-Solid-State, ως μια πολύ ελπιδοφόρα τεχνολογία μπαταριών επόμενης γενιάς, γίνονται σταδιακά το επίκεντρο της βιομηχανίας. Πρόσφατα, οι αυτοκινητοβιομηχανίες όπως το Changan Automobile και το BYD ανακοίνωσαν το χρονοδιάγραμμα εγκατάστασης των μπαταριών όλων των στερεών κατάστασης, υποδεικνύοντας ότι η διαδικασία εμπορευματοποίησης των μπαταριών όλων των στερεών καταστάσεων επιταχύνεται.

Οι μπαταρίες All-Solid-State αναφέρονται σε μπαταρίες ιόντων λιθίου που χρησιμοποιούν ηλεκτρολύτες στερεάς κατάστασης. Από την άποψη των αρχών εργασίας, δεν διαφέρουν από τις παραδοσιακές μπαταρίες λιθίου, αλλά οι πυρήνες τους, ηλεκτρολύτες στερεάς κατάστασης, τους δίνουν πολλά πλεονεκτήματα έναντι των παραδοσιακών υγρών μπαταριών λιθίου.

Όσον αφορά την απόδοση της ασφάλειας, ο ηλεκτρολύτης παραδοσιακών μπαταριών υγρού λιθίου είναι εύφλεκτη και πτητική, γεγονός που αποτελεί σημαντική αιτία πυρκαγιών ηλεκτρικών οχημάτων και ακόμη και εκρήξεις. Ο στερεός ηλεκτρολύτης που χρησιμοποιείται σε μπαταρίες όλων των στερεών κατάστασης δεν είναι εύφλεκτος, γεγονός που μειώνει σημαντικά τον κίνδυνο καύσης και έκρηξης της μπαταρίας και βελτιώνει σημαντικά την ασφάλεια. Για παράδειγμα, ορισμένες μπαταρίες στερεάς κατάστασης μπορούν να αντέξουν σε υψηλές θερμοκρασίες 1, 000} και μπορούν να συνεχίσουν να τροφοδοτούν ισχύ ακόμη και αν κόβεται μια γωνία.

Όσον αφορά την ενεργειακή πυκνότητα, οι μπαταρίες όλων των στερεών κατάστασης έχουν προφανή πλεονεκτήματα. Η ενεργειακή πυκνότητα των παραδοσιακών μπαταριών λιθίου έχει πλησιάσει σταδιακά μια συμφόρηση. Η ενεργειακή πυκνότητα των μπαταριών φωσφορικού σιδήρου λιθίου είναι 150-210 wh/kg, και το ανώτατο όριο των τριμερών μπαταριών λιθίου είναι περίπου 350Wh/kg. Η ενεργειακή πυκνότητα των μπαταριών όλων των στερεών κατάστασης αναμένεται να φτάσει πάνω από 500Wh/kg. Για παράδειγμα, η ενεργειακή πυκνότητα της μπαταρίας Jinzhongzhao All-Solid-State που αναπτύχθηκε από την Changan Automobile μπορεί να φτάσει τα 400Wh/kg και το εύρος κρουαζιέρας υπερβαίνει τα 1.500 χιλιόμετρα όταν χρεώνεται πλήρως, γεγονός που ανακουφίζει σε μεγάλο βαθμό το άγχος της σειράς. Ταυτόχρονα, οι στερεοί ηλεκτρολύτες μπορούν να αντέξουν σε υψηλότερες τάσεις και ο όγκος της μπαταρίας μπορεί να μειωθεί περαιτέρω, γεγονός που βελτιώνει σημαντικά την ταχύτητα φόρτισης και αναμένεται να επιτύχει ένα εύρος πλεύσης 1, 000 χιλιόμετρα μετά τη φόρτιση για 10 λεπτά.

Όσον αφορά τη σταθερότητα του κύκλου και την απόδοση υψηλής και χαμηλής θερμοκρασίας, οι μπαταρίες όλων των στερεών καταστάσεων αποδίδουν επίσης καλά. Η διάρκεια ζωής του μπορεί να φτάσει πάνω από 10, 000 φορές, η οποία είναι πολύ υψηλότερη από τις μπαταρίες του τριμερούς λιθίου και τις μπαταρίες φωσφορικού σιδήρου λιθίου και μπορεί να διατηρήσει καλές επιδόσεις σε περιβάλλοντα υψηλής και χαμηλής θερμοκρασίας, επίλυση αποτελεσματικά το πρόβλημα της αργής φόρτισης και της ταχείας απώλειας ισχύος των παραδοσιακών μπαταριών λιθίου σε χαμηλές θερμοκρασίες το χειμώνα.

Επί του παρόντος, υπάρχουν τρεις τεχνικές διαδρομές για τις μπαταρίες στερεάς κατάστασης: πολυμερή, οξείδια και σουλφίδια.

Τα πολυμερές ηλεκτρολύτες ανήκουν στην κατηγορία οργανικών ηλεκτρολυτών. Είναι ευέλικτα, έχουν καλές μηχανικές ιδιότητες, είναι εύκολο να επεξεργαστούν και να σχηματίζονται, είναι ιδιαίτερα συμβατές με τις υπάρχουσες διαδικασίες παραγωγής υγρού ηλεκτρολύτη, είναι εύκολο να προετοιμαστούν λεπτές μεμβράνες σε μεγάλη κλίμακα και έχουν επιτύχει μαζική παραγωγή μικρής κλίμακας. Ωστόσο, η αγωγιμότητά τους είναι χαμηλή σε θερμοκρασία δωματίου, συνήθως μεταξύ 10 ° και 10 °/cm, και πρέπει να θερμαίνονται πάνω από 60 βαθμούς για να λειτουργούν σωστά. Έχουν ένα στενό ηλεκτροχημικό παράθυρο και σχετικά κακή θερμική σταθερότητα.

Οι ηλεκτρολύτες οξειδίου είναι σταθερά στον αέρα, έχουν εξαιρετική θερμική σταθερότητα, μπορούν να αντέξουν σε υψηλές θερμοκρασίες άνω των 600 μοιρών, να έχουν υψηλή μηχανική αντοχή, μπορούν να αναστέλλουν αποτελεσματικά την ανάπτυξη των δενδριτών λιθίου και είναι κατάλληλα για υλικά θετικά ηλεκτροδίων υψηλής τάσης, όπως τα υλικά τριμερή υλικά. Το κόστος και η δυσκολία Ε & Α είναι σχετικά χαμηλά. Ωστόσο, έχει επίσης το πρόβλημα της χαμηλής ιοντικής αγωγιμότητας. Η αγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου είναι γενικά μεταξύ 10 ° C και 10⁻3/cm, η οποία πρέπει να βελτιωθεί με πυροσυσσωμάτωση υψηλής θερμοκρασίας ή προσθήκη υγρών ηλεκτρολύτες και η σύνθετη αντίσταση διεπαφής με το ηλεκτρόδιο είναι υψηλή, με αποτέλεσμα τη διάρκεια ζωής μικρού κύκλου.

Οι ηλεκτρολύτες σουλφιδίου έχουν εξαιρετική απόδοση και την υψηλότερη ιοντική αγωγιμότητα. Η αγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου μπορεί να φτάσει τα 10 °/cm, η οποία είναι κοντά στο επίπεδο των υγρών ηλεκτρολύτες. Υποστηρίζουν γρήγορη φόρτιση και εκφόρτιση και η θεωρητική ενεργειακή πυκνότητα υπερβαίνει τα 500Wh/kg. Είναι συμβατά με τα αρνητικά ηλεκτρόδια λιθίου μετάλλου, έχουν καλή θερμική σταθερότητα, είναι μαλακά στην υφή και έχουν ισχυρή πλαστικότητα. Ωστόσο, έχουν κακή χημική σταθερότητα και είναι εύκολο να αντιδράσουν με υγρασία και οξυγόνο στον αέρα για να παράγουν τοξικό αέριο υδρογόνου. Είναι δύσκολο να προετοιμαστούν και να έχουν υψηλό κόστος παραγωγής.

Σε παγκόσμιο επίπεδο, πολλές εταιρείες έχουν επενδύσει στην έρευνα και ανάπτυξη και παραγωγή όλων των στερεών μπαταριών και επιταχύνουν τη διάταξή τους. Οι ιαπωνικές αυτοκινητοβιομηχανίες ξεκίνησαν νωρίς στην έρευνα και ανάπτυξη μπαταριών στερεάς κατάστασης.
Η Toyota Motors ξεκίνησε την έρευνα και την ανάπτυξη μπαταριών στερεάς κατάστασης ήδη από το 2006 και πρόσφατα ανακοίνωσε ότι θα ξεκινήσει την παραγωγή δοκιμαστικής μικρής κλίμακας το 2026 και τη μαζική παραγωγή μετά το 2030.
Η Honda Motors ανακοίνωσε ότι θα ξεκινήσει τη δοκιμαστική παραγωγή μπαταριών όλων των στερεών κατάστασης για καθαρά ηλεκτρικά οχήματα τον Ιανουάριο του 2025. Η Nissan σχεδιάζει να ξεκινήσει τη δοκιμαστική παραγωγή μπαταριών στερεάς κατάστασης στο εργοστάσιό της Yokohama φέτος και να ξεκινήσει ηλεκτρικά οχήματα εξοπλισμένα με μπαταρίες όλων των στερεών κατάστασης μέχρι το 2028.

Οι κινεζικές εταιρείες δεν επιθυμούν επίσης να καθυστερήσουν. Η CATL έχει δημιουργήσει μια πιλοτική γραμμή παραγωγής για μπαταρίες όλων των στερεών καταστάσεων και διεξάγει επί του παρόντος βελτιστοποίηση της διαδικασίας και επαλήθευση προϊόντων. Αναμένεται να παράγει μαζική παραγωγή μπαταριών όλων των στερεών κατάστασης σε μικρή κλίμακα το 2027.

Η BYD ξεκίνησε την έρευνα και την ανάπτυξη όλων των στερεών μπαταριών κατάστασης το 2013 και έχει ξεκινήσει την επαλήθευση της σκοπιμότητας της εκβιομηχάνισης της μπαταρίας στερεάς κατάστασης, καλύπτοντας τις βασικές ανακαλύψεις τεχνολογίας υλικών, την ανάπτυξη του συστήματος των μπαταριών και την κατασκευή γραμμών παραγωγής. Αναμένεται να ξεκινήσει η επίδειξη μάζας και η εγκατάσταση όλων των-στερεών μπαταριών το 2027 και να επιτύχει εμπορευματοποίηση μεγάλης κλίμακας μετά το 2030.

Το Changan Automobile σχεδιάζει να ξεκινήσει 8 αυτο-αναπτυγμένα κύτταρα μπαταριών, συμπεριλαμβανομένων υγρών, ημι-στερεών και στερεών, μέχρι το 2030, για να ξεκινήσουν λειτουργικά πρωτότυπα το 2025 και να παρασκευάζουν σταδιακά μαζικά μπαταρίες όλων των στερεών κατάστασης το 2027.

Η GAC Aion ανακοίνωσε ότι θα επιτύχει μαζική παραγωγή και εγκατάσταση όλων των στερεών μπαταριών κατάστασης το 2026 και θα εγκατασταθεί πρώτα στο high-end μάρκα Haobo.

Η Chery Automobile σχεδιάζει να επιτύχει την εγκατάσταση της μπαταρίας όλων των στερεών κατάστασης το 2026 και τη μαζική παραγωγή μεγάλης κλίμακας το 2027.

Η SAIC Group ανακοίνωσε ότι οι μπαταρίες όλων των στερεών καταστάσεων θα παραδίδονται μαζικά και θα παραδοθούν το 2026 και τα νέα αυτοκίνητα Zhiji που είναι εξοπλισμένα με μπαταρίες όλων των στερεών κατάστασης θα παραδίδονται μαζικά και θα παραδοθούν το 2027.

Από τη συνολική άποψη της βιομηχανίας, η αλυσίδα της βιομηχανίας μπαταριών στερεάς κατάστασης είναι παρόμοια με εκείνη των υγρών μπαταριών, που καλύπτει την προσφορά πρώτων υλών, τα υλικά της μπαταρίας και την κατασκευή των μπαταριών και την κατάντη των περιοχών εφαρμογής. Το ανάντη παρέχει κυρίως μεταλλικούς πόρους όπως το λίθιο, το κοβάλτιο και το νικέλιο, καθώς και τα βασικά υλικά για ηλεκτρολύτες στερεάς κατάστασης. Έχει ισχυρή εξάρτηση από τους πόρους, υψηλά τεχνικά εμπόδια και υψηλή συγκέντρωση της αγοράς. Το Midstream είναι ο βασικός σύνδεσμος της έρευνας και της ανάπτυξης της μπαταρίας και της κατασκευής. Η τεχνολογική καινοτομία είναι η βασική κινητήρια δύναμη, αλλά αντιμετωπίζει προβλήματα σύνθετων διαδικασιών και πίεσης υψηλού κόστους. Τα πεδία εφαρμογών κατάντη είναι ευρεία, καλύπτοντας νέα ενεργειακά οχήματα, αποθήκευση ενέργειας, ηλεκτρονικά στοιχεία καταναλωτών και άλλα πεδία, με ισχυρή υποστήριξη πολιτικής και τεράστιες δυνατότητες αγοράς.

Αν και οι μπαταρίες όλων των στερεών κατάστασης έχουν ευρείες προοπτικές, εξακολουθούν να αντιμετωπίζουν πολλές προκλήσεις στο δρόμο προς την εμπορική μαζική παραγωγή.

Σε τεχνικό επίπεδο, αν και έχει σημειωθεί κάποια πρόοδος σε στερεούς ηλεκτρολύτες, θετικά και αρνητικά υλικά ηλεκτροδίων κλπ., Υπάρχουν ακόμα ορισμένα βασικά επιστημονικά προβλήματα και τεχνικά προβλήματα μηχανικής που πρέπει να επιλυθούν επειγόντως. Για παράδειγμα, πώς να βελτιωθεί περαιτέρω η ιοντική αγωγιμότητα των στερεών ηλεκτρολυτών, να βελτιώσουν τη συμβατότητά τους με το μεταλλικό λίθιο και τα υψηλά ειδικά υλικά ηλεκτροδίων ενέργειας και να δημιουργήσουν μια συμβατή και σταθερή διασύνδεση στερεού στερεού. Διαφορετικές τεχνικές οδούς έχουν επίσης τις δικές τους ελλείψεις, όπως η κακή χημική σταθερότητα και η δυσκολία παρασκευής ηλεκτρολυτών σουλφιδίου και η χαμηλή ιοντική αγωγιμότητα των ηλεκτρολυτών οξειδίου. Αυτά τα προβλήματα απαιτούν συνεχή επένδυση στην Ε & Α για να ξεπεραστεί.

Το κόστος είναι επίσης ένας σημαντικός παράγοντας που περιορίζει την εφαρμογή μεγάλης κλίμακας μπαταριών. Επί του παρόντος, το κόστος των μονομερών μπαταρίας ιόντων υγρού λιθίου είναι περίπου 0 5 γιουάν ανά watt-hour, ενώ το υλικό κόστος των μπαταριών στερεάς κατάστασης είναι περισσότερο από 2 γιουάν ανά watt-hour χωρίς μεγάλη μαζική παραγωγή. Το υλικό κόστος ενός πακέτου μπαταρίας 100- κιλοβάτ-ωρών υπερβαίνει τα 200, 000 yuan, το οποίο είναι πολύ υψηλότερο από τις υπάρχουσες υγρές μπαταρίες. Η λήψη μπαταριών στερεάς κατάστασης σουλφιδίου ως παράδειγμα, το σπάνιο μεταλλικό ινδικό που απαιτείται για την παραγωγή του είναι δαπανηρή και η παρασκευή προδρόμων σουλφιδίου λιθίου είναι δύσκολη και δαπανηρή, γεγονός που οδηγεί στο υψηλό συνολικό κόστος των μπαταριών.

Σε επίπεδο αγοράς, οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης, ως νέα προϊόντα, χρειάζονται ένα ορισμένο χρονικό διάστημα για να αποκτήσουν αναγνώριση και αποδοχή της αγοράς. Αν και έχουν πλεονεκτήματα στην ενεργειακή πυκνότητα και την ασφάλεια, εξακολουθεί να υπάρχει περιθώριο βελτίωσης σε σύγκριση με τις παραδοσιακές μπαταρίες λιθίου όσον αφορά τη διάρκεια ζωής του κύκλου. Επιπλέον, παρόλο που ορισμένες εταιρείες έχουν επιτύχει δείγματα μικρής παρτίδας, δεν έχουν ακόμη διαμορφώσει σταθερές παραγγελίες και υπάρχει αβεβαιότητα στις πραγματικές προοπτικές εφαρμογής.

Κοιτάζοντας το μέλλον, οι μπαταρίες όλων των στερεών κατάστασης αναμένεται να διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο σε πολλούς τομείς. Στον τομέα των νέων ενεργειακών οχημάτων, θα βελτιώσει σημαντικά το εύρος πλεύσης του οχήματος, την ταχύτητα ασφάλειας και φόρτισης, θα προωθήσει τη νέα βιομηχανία ενεργειακών οχημάτων σε υψηλότερο επίπεδο και θα επιταχύνει τον μετασχηματισμό της αυτοκινητοβιομηχανίας της αυτοκινητοβιομηχανίας.

Στον τομέα της αποθήκευσης ενέργειας, τα υψηλά ενεργειακά πυκνότητα και τα χαρακτηριστικά μακράς διάρκειας ζωής των μπαταριών όλων των στερεών καταστάσεων τους επιτρέπουν να αποθηκεύουν την ηλεκτρική ενέργεια πιο αποτελεσματικά, να εξισορροπούν την παροχή ηλεκτρικής ενέργειας και τη ζήτηση και να παρέχουν ισχυρή υποστήριξη για τη μεγάλη πρόσβαση και τη σταθερή λειτουργία των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας.

Στον τομέα των ηλεκτρονικών ειδών ευρείας κατανάλωσης, οι μπαταρίες όλων των στερεών καταστάσεων μπορούν να κάνουν τις συσκευές λεπτότερες και πιο ανθεκτικές και να βελτιώσουν την εμπειρία των χρηστών.

Με τη συνεχή πρόοδο της τεχνολογίας και την ανάπτυξη της βιομηχανίας, η απόδοση των μπαταριών όλων των στερεών θα συνεχίσει να βελτιώνεται και το κόστος αναμένεται να μειωθεί σταδιακά. Η συνεχής επένδυση και η Ε & Α πολλών εταιρειών, καθώς και η προώθηση της συνεργατικής καινοτομίας μεταξύ της βιομηχανίας, της ακαδημαϊκής κοινότητας και της έρευνας, θα επιταχύνουν την τεχνολογική ανακάλυψη και την εμπορευματοποίηση όλων των μπαταριών. Σε επίπεδο πολιτικής, οι κυβερνήσεις διαφόρων χωρών αυξάνουν συνεχώς την υποστήριξή τους για νέες ενεργειακές τεχνολογίες, οι οποίες θα δημιουργήσουν επίσης ένα καλό περιβάλλον πολιτικής για την ανάπτυξη της βιομηχανίας μπαταριών όλων των στερεών καταστάσεων.

Καθώς τα βασικά ύψη του διαγωνισμού για την τεχνολογία μπαταριών επόμενης γενιάς, οι μπαταρίες όλων των στερεών καταστάσεων αντιμετωπίζουν πολλαπλές προκλήσεις όπως η τεχνολογία, το κόστος και η αγορά, αλλά έχουν ένα λαμπρό μέλλον. Στο κύμα του παγκόσμιου μετασχηματισμού ενέργειας και της τεχνολογικής προόδου, οι μπαταρίες όλων των στερεών κατάστασης αναμένεται να γίνουν η βασική δύναμη για την προώθηση του μετασχηματισμού της αποθήκευσης ενέργειας και την προβολή μιας νέας εποχής αποθήκευσης ενέργειας.