ما يجب أن تعرفه عن بطارية الحالة شبه الصلبة

توفر بطاريات الدولة شبه الصلبة ، وهي تقنية بطارية مبتكرة ، مزايا أكثر بطاريات الليثيوم. تحددهم هذه المقالة ، ويقارنهم ببطاريات الليثيوم ، ويناقش فوائدهم وتحدياتهم.

ما هي بطارية الحالة شبه الصلبة؟

بطاريات الحالة شبه الصلبة عبارة عن بطاريات قابلة للشحن تستخدم شبه صلبة المنحل بالكهرباء. يتكون هذا المنحل بالكهرباء عادة من مادة موصلة صلبة معلقة في سائل ، مما يوفر العديد من المزايا على التصميمات التقليدية.

بطارية الحالة شبه الصلبة مقابل بطاريات الليثيوم السائل

تكمن الاختلافات الأساسية بين هذه التقنيات في تكوينها من الإلكتروليت وسلامتها وأداءها:

بنية المنحل بالكهرباء

• بطاريات الليثيوم السائل: استخدم الشوارد السائلة العضوية القابلة للاشتعال ، وتشكل مخاطر التسرب و هارب حراري.
• البطاريات شبه الصلبة: استخدم الهلام اللزج/اللصق بالكهرباء ، مما يقلل من قابلية التشهير والسماح بفواصل أرق.

أمان

• يمكن أن تشتعل الشوارد السائلة تحت الإجهاد (على سبيل المثال ، الأضرار المادية أو الشحن الزائد) ، مما يؤدي إلى حرائق.
• تقاوم الشوارد شبه الصلبة نمو dendrite ، وتحمل درجات الحرارة أكثر من 200 درجة مئوية ، وتقليل مخاطر الاحتراق في اختبارات تغلغل الأظافر.

أداء

• كثافة الطاقة: بطاريات الليثيوم السائلة كحد أقصى عند 300 WH/kg ؛ تصل المتغيرات شبه الصلبة إلى 350-400 WH/kg.
• حياة دورة: بطاريات الليثيوم السائلة تدوم حوالي 1200 دورة ؛ تحملها نصف الصلبة من 2000 إلى 3000 دورة مع أكثر من 85 ٪ من الاحتفاظ بالسعة.
• نطاق درجة الحرارة: تجميد الشوارد السائلة أقل من 0 درجة مئوية أو تثخن في ظروف البرد. تعمل البطاريات شبه الصلبة من -40 درجة مئوية إلى 60 درجة مئوية دون فقدان كفاءة كبيرة.

تصنيع

تستفيد بطاريات الليثيوم السائل من خطوط الإنتاج المعمول بها ، في حين تتطلب تلك شبه الصلبة عمليات معدلة.

مزايا بطاريات الدولة شبه الصلبة

بطاريات الحالة شبه الصلبة لها عدة مزايا على بطاريات الليثيوم السائلة التقليدية.

تعزيز السلامة

تقليل المحتوى السائل واستخدام الأطر الصلبة يقلل من تكوين dendrite والهروب الحراري. تمنع الشوارد المعززة بالسيراميك ، مثل مركبات الكبريتيد أو البوليمر ، دوائر قصيرة. تجتاز الخلايا شبه الصلبة اختبارات تغلغل الأظافر مع الحد الأدنى من مخاطر الاحتراق ، معالجة عيب رئيسي في بطاريات الليثيوم السائل.

ارتفاع كثافة الطاقة

تحقق البطاريات شبه الصلبة أعلى بنسبة 30-40 ٪ كثافة الطاقة من بطاريات الليثيوم السائل باستخدام أنودات عالية السعة مثل الليثيوم أو السيليكون ، مقترنة بكاثود NMC/NCA الغني بالكلز.

عمر ممتد & صمود

يتيح تدهور القطب المنخفض والواجهات المستقرة أكثر من 2 ، 000 دورة مع الحد الأدنى من فقدان السعة. كما أنها تؤدي بشكل جيد في البرد الشديد (-40 درجة مئوية) ، مما يمنع تجميد المنحل بالكهرباء.

قابلية التوسع

تستخدم المتغيرات شبه الصلبة معدات تصنيع ليثيوم أيون الحالية ، مما يقلل من تكاليف الانتقال مقارنة ببطاريات الحالة الصلبة بالكامل. تقوم شركات مثل BMW و Ford بتسريع الإنتاج من خلال الشراكة مع Solid Power.

لماذا تتمتع بطاريات الحالة شبه الصلبة بكثافة طاقة عالية؟

ثلاثة ابتكارات تعزز تخزين الطاقة بطاريات الدولة شبه الصلبة:

الابتكارات المادية

• أنودس: المعدن الليثيوم (3،860 مللي أمبير/جم) أو مركبات السيليكون تحل محل الجرافيت (372 مللي أمبير/جم).
• الكاثودات: زيادة أكاسيد NMC عالية النيكل أو الأكاسيد الغنية بالليثيوم.

تحسين المنحل بالكهرباء

• تصاميم المرحلة المزدوجة (على سبيل المثال ، المواد الهلامية للبوليمرات ذات الحشو الخزفي) تقلل من المكونات الخاملة ، مما يزيد من المساحة للمواد النشطة.
• تحسين التصلب في الموقع يحسن التلامس الإلكترود الكهربائي ويقلل من المقاومة الداخلية.

الكفاءة الهيكلية

تتميز الأقطاب الكهربائية مصفوفات مسامية لعقد مواد أكثر نشاطًا ، في حين أن مسارات أيون أقصر في التصميمات المدمجة تعزز كثافة الطاقة.

تحديات بطاريات الدولة شبه الصلبة

في حين أن بطاريات الدولة شبه الصلبة واعدة ، فإنها تواجه بعض التحديات التي يجب التغلب عليها.

تعقيدات المواد وسلسلة التوريد

• تتطلب الشوارد الصلبة عالية النقاء ، مثل الكبريتيد والأكاسيد ، مستويات نقاء أعلى من 99. 99 ٪ والتعامل المتخصص بسبب حساسية الرطوبة ، مما يتجاوز 20 جزءًا في المليون. وهذا يتطلب التخزين المفرغ من الأرجون ، وزيادة التكاليف والتعقيد اللوجستي.
• تحتاج هذه المواد بنسبة 40 ٪ أكثر من مجلدات PTFE من PVDF التقليدية ، وسلاسل التوريد الكيميائية المجهدة.

تصنيع الزجاجة

• يجب أن يتعامل تقويم الإلكترود مع 15-20 ٪ من الكثافة ، مع انخفاض أوقات التجفيف من 12 إلى 24 ساعة إلى 2-3 ساعات ، مما يستلزم خطوط الإنتاج التي تم تحديثها.
• يمكن أن تزيد المقاومة البينية من ملامسة القطب الكهربائي الصلبة الصلبة عن المقاومة الداخلية بنسبة تصل إلى 300 ٪ ، مما يقلل من الكفاءة وقدرة الشحن السريع.
• تكافح تقنيات التصلب في الموقع من أجل تحقيق واجهات موحدة كهربائية كهربائية موحدة ، مما يؤثر على عمر الدورة واستقرار الأداء.

قيود الأداء

• تُظهر الشوارد الهجينة الموصلية الأيونية أقل بنسبة 10-30 ٪ من السائل السائل في درجات حرارة دون الصفر ، مما يحد من إنتاج الطاقة في المناخات الباردة.
• تستمر مخاطر التظاهر الليثيوم حتى بعد 500 دورة ، خاصة مع أنودات الليثيوم المعدنية ، على الرغم من مطالبات القمع.
• تحقق الخلايا الحالية من 350 إلى 400 WH/kg ، أقل من 500+ WH/kg من النماذج الأولية ، بسبب الخسائر البينية وقيود حجم المنحل بالكهرباء.

حواجز تبني التكلفة والأسواق

• البطاريات شبه الصلبة أكثر تكلفة بنسبة 40-50 ٪ من بطاريات الليثيوم أيون السائل ، ويرجع ذلك أساسا إلى تكاليف الإلكتروليت الصلبة وأحجام الإنتاج المنخفضة.
• إعادة تدوير Pyrometallurgical تسترد فقط 60-65 ٪ من المواد ، مقارنة مع 85-90 ٪ للبطاريات السائلة ، لأن معالجة درجات الحرارة العالية تدمر الشوارد الصلبة.
• يبلغ الإنتاج العالمي أقل من 2 GWH (2024) ، مع حصة السوق المتوقعة بنسبة 1 ٪ فقط بحلول عام 2027 ، مما يؤخر اقتصادات الحجم.

خاتمة

تجمع بطاريات الحالة شبه الصلبة بين السلامة وكثافة الطاقة في تقنية الحالة الصلبة مع تصنيع الأنظمة السائلة. وهي حاليًا Power EVS (NIO ، BMW) وتخزين الشبكة ، مع توقع انخفاض التكاليف إلى 70 دولارًا/كيلوواط في الساعة بحلول عام 2030 كمقاييس إنتاج.

تبقى تحديات مثل المقاومة البينية ونقاء المواد الخام ، ولكن مستمرة ص&يضعها في وضعهم كتقنية انتقالية مهيمنة حتى تصبح بطاريات الحالة الصلبة كاملة جاهزة.

بالنسبة للصناعات التي تتطلب نطاقات أطول ، وشحن أسرع ، ومعايير السلامة العالية ، فإن البطاريات شبه الصلبة هي المستقبل القريب.