Batterie allo stato solido e loro materiali principali

Cos'è una batteria allo stato solido? La tradizionale batteria agli ioni di litio comprende quattro componenti principali: elettrodo positivo, elettrodo negativo, elettrolita e separatore. Una batteria a stato solido sostituisce l'elettrolita con un elettrolita solido. Rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio, la differenza fondamentale delle batterie allo stato solido sta nel fatto che l’elettrolito è cambiato da liquido a solido, con sicurezza ed elevata densità di energia. Le batterie elettrolitiche allo stato solido sono la forma definitiva di batterie al litio e al sodio, in grado di risolvere completamente i problemi di sicurezza e sono senza dubbio protagoniste nella seconda metà del nuovo mercato energetico. La filiera delle batterie allo stato solido è più o meno simile a quella delle batterie al litio liquido. L'upstream comprende materie prime, attività mineraria, macchinari e attrezzature e materiali di base. La differenza principale tra i due risiede nei tipi di materiali degli elettrodi negativi e degli elettroliti. I materiali dell'elettrodo positivo sono quasi gli stessi. Se viene completamente sviluppata in una batteria a stato solido, anche il separatore verrà completamente sostituito. Il processo intermedio della catena industriale è il processo di lavorazione e preparazione dei pacchi batteria, mentre le aree di applicazione a valle della catena industriale includono veicoli a nuova energia, sistemi di accumulo di energia, elettronica di consumo, ecc.

I vantaggi delle batterie allo stato solido sono:

(1) Gli elettroliti allo stato solido vengono utilizzati per sostituire gli elettroliti liquidi e i separatori. Gli elettroliti allo stato solido hanno un punto di accensione molto elevato, che migliora la stabilità termica della batteria;

(2) La piattaforma di tensione delle batterie allo stato solido è 5 V, superiore ai 4,3 V delle batterie liquide, che possono eguagliare i materiali degli elettrodi ad alta tensione e la densità energetica e la capacità specifica della batteria sono migliori rispetto alle batterie liquide;

(3) Gli elettroliti allo stato solido non sono fluidi, quindi non vi sono perdite, il che semplifica la progettazione del pacco batteria, riduce il peso e il volume della batteria e si prevede che la densità di energia superi i 300 Wh/kg.

Elettrolita allo stato solido

L'elettrolita a stato solido è il componente principale delle batterie agli ioni di litio a stato solido, che può fungere contemporaneamente da separatore ed elettrolita della batteria. Il ruolo principale dell'elettrolita è trasmettere Li+ tra gli elettrodi positivo e negativo. Gli elettroliti ideali allo stato solido dovrebbero avere elevata conduttività ionica, bassa impedenza di interfaccia, struttura stabile, elevata sicurezza, elevata resistenza meccanica e basso prezzo. Attualmente, sulla base di diversi elettroliti, può essere principalmente suddiviso in elettroliti polimerici a stato solido ed elettroliti inorganici a stato solido. Il sistema rappresentativo del primo è il polietilene ossido PEO; quest'ultimo è il sistema di ossido, solfuro e alogenuro.

Materiali catodici

I principali materiali catodici per le batterie a stato solido sono: ossido di litio cobalto, litio ferro fosfato, ossido di litio nichel cobalto e ossido di litio cobalto alluminio.

（1）Ossido di litio cobalto: un materiale catodico comunemente utilizzato nelle batterie agli ioni di litio, che può fornire un'elevata densità di energia e un lungo ciclo di vita, ma presenta problemi di sicurezza.

（2）Litio Ferro Fosfato: rispetto all'ossido di litio cobalto, il litio ferro fosfato ha una migliore sicurezza e una maggiore durata, ma la sua densità di energia è inferiore.

（3）Ossido di litio nichel cobalto: alta densità di energia e lunga durata, ma il costo del materiale è elevato e ci sono problemi di sicurezza.

（4）Ossido di alluminio al litio cobalto: elevata densità di energia, ma la durata del ciclo è leggermente inferiore a quella dell'ossido di litio nichel cobalto.

（5）Combinazioni di più materiali in elettroliti a stato solido: ad esempio, l'ossido di litio manganese (LiMn2O4) e il titanato di litio (Li4Ti5O12) possono fornire maggiore sicurezza e maggiore durata, ma la densità di energia è relativamente bassa.

Materiali anodici

I materiali dell'elettrodo negativo per le batterie a stato solido comprendono principalmente tre tipi: litio metallico, materiali in carbonio e materiali in silicio.

（1）Il litio metallico viene utilizzato principalmente nelle batterie allo stato solido agli ioni di litio e nelle batterie allo stato solido al litio-zolfo. Tra queste, le batterie allo stato solido agli ioni di litio sono un tipo di batteria ad alta densità di energia che può essere applicata in campi come i veicoli elettrici e i droni. D'altra parte, le batterie allo stato solido al litio-zolfo sono batterie ad alta densità di energia ed elevata sicurezza, adatte per applicazioni in campo aerospaziale, militare e altri.

（2）I materiali in carbonio vengono utilizzati principalmente nelle batterie agli ioni di litio allo stato solido. I nanotubi di carbonio, un comune materiale di carbonio, hanno un'elevata area superficiale ed eccellenti prestazioni elettrochimiche, che li rendono adatti all'uso in batterie agli ioni di litio a stato solido ad alte prestazioni.

(3) Il silicio è un nuovo materiale per elettrodi negativi che offre elevata capacità specifica e basso costo. Nelle batterie allo stato solido, il silicio può reagire con gli elettroliti allo stato solido per formare ioni di litio, consentendo la carica e la scarica della batteria. Rispetto ai materiali al litio metallico e al carbonio, il silicio ha una capacità specifica più elevata, ma la sua stabilità del ciclo è relativamente scarsa, soggetta a espansione di volume e danni strutturali. I materiali in silicio sono utilizzati principalmente nelle batterie agli ioni di litio a stato solido. Tra questi, i nanofili di silicio, un comune materiale di silicio, possiedono un'elevata area superficiale specifica e eccellenti prestazioni elettrochimiche, adatte per l'uso in batterie agli ioni di litio a stato solido ad alte prestazioni.

Separatore

Il materiale separatore è un componente essenziale delle batterie a stato solido, utilizzato principalmente per isolare gli elettrodi positivo e negativo per impedire la conduzione elettronica. La composizione dei materiali separatori comprende principalmente polimeri, polveri su scala nanometrica e così via. La ricerca suggerisce che un rivestimento a doppio strato può essere utilizzato come alternativa a un separatore, con uno strato di elettrolita allo stato solido inorganico rivestito su entrambi i lati del foglio dell'elettrodo negativo e uno strato di polimero organico rivestito sulla superficie del solido inorganico. strato elettrolitico di stato. Attualmente, si ritiene che le batterie allo stato solido al solfuro e all'ossido non richiedano un separatore. Inoltre, vari brevetti pubblicati per batterie allo stato solido hanno proposto il concetto di separatori compositi, come i separatori compositi inorganici-organici.

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