혁신적인 배터리 기술인 반고 상태 배터리는 이점을 제공합니다. 리튬 배터리. 이 기사는이를 정의하고 리튬 배터리와 비교하고 이점과 과제에 대해 설명합니다.
반고 상태 배터리는 무엇입니까?
반고 상태 배터리는 반고체를 사용하는 충전식 배터리입니다. 전해질. 이 전해질은 일반적으로 액체에 매달린 고체 전도성 재료로 구성되며 기존 설계에 비해 몇 가지 장점이 있습니다.
반고 상태 배터리 대 액체 리튬 배터리
이 기술들 사이의 핵심 차이는 전해질 조성, 안전성 및 성능에 있습니다.
전해질 구조
- 액체 리튬 배터리 : 가연성 유기 액체 전해질 사용, 누출 위험 및 열 폭주.
- 반고체 배터리 : 점성 겔/페이스트 전해질을 사용하여 가연성을 줄이고 더 얇은 분리기를 허용합니다.
안전
- 액체 전해질은 스트레스 (예 : 물리적 손상 또는 과충전)에서 발화하여 화재로 이어질 수 있습니다.
- 반고체 전해질은 수상 돌기 성장에 저항하고 200 ° C 이상의 온도를 견딜 수 있으며 손톱 침투 시험에서 연소 위험을 최소화합니다.
성능
- 에너지 밀도 : 액체 리튬 배터리 최대 300Wh/kg에서 최대; 반고체 변형은 350-400 WH/kg에 도달합니다.
- 사이클 수명 : 액체 리튬 배터리는 약 1,200 사이클로 지속됩니다. 반고체는 85%가 넘는 용량 유지로 2,000 ~ 3,000 사이클을 견뎌냅니다.
- 온도 범위 : 액체 전해질은 0 ° C 미만으로 얼거나 추운 조건에서 두껍게됩니다. 반고체 배터리는 상당한 효율 손실없이 -40 ° C ~ 60 ° C에서 작동합니다.
조작
액체 리튬 배터리는 확립 된 생산 라인의 이점을 얻는 반면 반고체 배터리는 수정 된 프로세스가 필요합니다.
반고 상태 배터리의 장점
반고 상태 배터리는 전통적인 액체 리튬 배터리에 비해 몇 가지 장점이 있습니다.
향상된 안전
액체 함량을 줄이고 견고한 프레임 워크 사용은 수상 돌기 형성 및 열 런 어웨이를 최소화합니다. 황화물 또는 중합체 복합재와 같은 세라믹 강화 전해질은 단락을 방지합니다. 반고체 세포는 연소 위험을 최소화하여 손톱 침투 테스트를 통과하여 액체 리튬 배터리의 주요 결함을 해결합니다.
더 높은 에너지 밀도
반고체 배터리는 30-40% 더 높습니다 에너지 밀도 고전압 니켈이 풍부한 NMC/NCA 캐소드와 쌍을 이루는 리튬 또는 실리콘과 같은 고용량 양극을 사용하여 액체 리튬 배터리보다.
연장 된 수명 & 회복력
감소 된 전극 분해 및 안정적인 인터페이스는 용량 손실을 최소화하면서 2,000 사이클 이상을 가능하게합니다. 또한 극심한 차가운 (–40 ° C)에서 잘 작동하여 전해질 동결을 방지합니다.
확장 성
반고체 변형은 기존 리튬 이온 제조 장비를 사용하여 완전히 고체 상태 배터리에 비해 전환 비용을 줄입니다. BMW 및 Ford와 같은 회사는 Solid Power와 파트너 관계를 맺어 생산을 가속화하고 있습니다.
반고 상태 배터리는 왜 에너지 밀도가 높습니까?
세 가지 혁신이 향상됩니다 에너지 저장 반고 상태 배터리 :
재료 혁신
- 양극 : 리튬 금속 (3,860 mAh/g) 또는 실리콘 복합재는 흑연 (372 mAh/g)을 대체합니다.
- 음극 : 높은 Nickel NMC 또는 리튬이 풍부한 산화물은 전압 및 용량을 증가시킵니다.
전해질 최적화
- 이중 위상 설계 (예 : 세라믹 필러가있는 폴리머 겔)는 불활성 성분을 감소시켜 활성 재료의 공간을 최대화합니다.
- 현장 응고는 전극-전해질 접촉을 향상시키고 내부 저항을 낮 춥니 다.
구조적 효율성
전극은 다공성 매트릭스를 특징으로하여보다 활성화 된 물질을 유지하는 반면, 소형 설계의 짧은 이온 경로는 전력 밀도를 높입니다.
반고 상태 배터리의 도전
반고체 상태 배터리는 유망하지만 극복해야 할 몇 가지 어려움에 직면 해 있습니다.
재료 및 공급망 복잡성
- 황화물 및 산화물과 같은 고급 고체 전해질은 99.99% 이상의 순도 수준과 습도 감도로 인한 특수 처리가 필요하며 20 ppm 이상의 저하입니다. 이를 위해서는 Argon-Blanketed Storage, 비용 증가 및 물류 복잡성이 필요합니다.
- 이들 재료는 기존의 PVDF보다 40% 더 많은 PTFE 결합제, 변형 화학 공급망이 필요하다.
병목 현상 제조
- 전극 캘린더링은 15-20% 더 높은 밀도를 처리해야하며 건조 시간은 12-24 시간에서 2-3 시간으로 감소하여 개조 된 생산 라인이 필요했습니다.
- 고체-고체 전극 전해질 접촉으로부터의 계면 저항은 내부 저항을 최대 300%까지 증가시켜 효율성과 빠른 충전 능력을 감소시킬 수 있습니다.
- 현장 내 응고 기술은 균일 한 전극 전해질 인터페이스를 달성하기 위해 노력하여 사이클 수명 및 성능 안정성에 영향을 미칩니다.
성능 제한
- 하이브리드 전해질은 저하 온도에서 액체보다 10-30% 낮은 이온 전도도를 보여 주어 추운 기후의 전력 출력을 제한합니다.
- 리튬 수상 돌기 위험은 500 개 이상의 사이클 후에도, 특히 억제 주장에도 불구하고 리튬-금속 양극을 사용한 후에도 지속됩니다.
- 현재 세포는 계면 손실 및 전해질 부피 제약으로 인해 500+ WH/kg의 프로토 타입보다 낮은 350-400WH/kg을 달성합니다.
비용 및 시장 채택 장벽
- 반고체 배터리는 주로 전해질 비용과 낮은 생산량으로 인해 액체 리튬 이온 배터리보다 40-50% 더 비쌉니다.
- Pyrometallurgical Recycling은 고온 처리가 고체 전해질을 손상시키기 때문에 액체 배터리의 경우 85-90%에 비해 60-65%의 재료 만 회수합니다.
- 글로벌 생산량은 2 GWH (2024) 미만이며 2027 년까지 시장 점유율이 1%에 불과하여 규모의 경제가 지연되었습니다.
결론
반고 상태 배터리는 솔리드 스테이트 기술의 안전 및 에너지 밀도를 액체 시스템의 제조 가능성과 결합합니다. 그들은 현재 EVS (NIO, BMW) 및 그리드 스토리지에 전원을 공급하며 2030 년까지 생산 규모로 $ 70/kWh로 하락할 것으로 예상됩니다.
계면 저항 및 원료 순도와 같은 도전은 남아 있지만 계속되는 R&D는 전체 솔리드 스테이트 배터리가 준비 될 때까지 지배적 인 과도기 기술로 배치합니다.
더 긴 범위, 더 빠른 충전 및 높은 안전 표준이 필요한 산업의 경우 반고 배터리가 단기적으로 미래입니다.
