بطاريات الحالة الصلبة: طريق بطاريات الجيل التالي

بطاريات الحالة الصلبة: طريق بطاريات الجيل التالي

في 14 مايو ، وفقًا لـ "كوريا تايمز" وتقارير إعلامية أخرى ، تخطط سامسونج للتعاون مع شركة هيونداي لتطوير السيارات الكهربائية وتوفير بطاريات الطاقة وأجزاء السيارات الأخرى المتصلة لسيارات هيونداي الكهربائية. تتوقع وسائل الإعلام أن سامسونج وهيونداي ستوقعان قريباً مذكرة تفاهم غير ملزمة بشأن تزويد البطاريات. يُذكر أن شركة Samsung قدمت أحدث بطارية صلبة إلى Hyundai.

وفقًا لشركة Samsung ، عندما يتم شحن بطارية النموذج الأولي الخاص بها بالكامل ، يمكن أن تسمح للسيارة الكهربائية بقيادة أكثر من 800 كيلومتر في المرة الواحدة ، مع عمر بطارية يزيد عن 1,000 مرة. حجمها أصغر بنسبة 50٪ من بطارية ليثيوم أيون من نفس السعة. لهذا السبب ، تعتبر بطاريات الحالة الصلبة أنسب بطاريات الطاقة للسيارات الكهربائية في السنوات العشر القادمة.

في أوائل مارس 2020 ، نشر معهد سامسونج للدراسات المتقدمة (SAIT) ومركز أبحاث سامسونج في اليابان (SRJ) "بطاريات الليثيوم المعدنية الصلبة ذات الطاقة العالية والدورة الطويلة والممكَّنة بالفضة" في مجلة "Nature Energy". - أنودات الكربون المركبة "قدمت أحدث تطوراتها في مجال بطاريات الحالة الصلبة.

تستخدم هذه البطارية إلكتروليتًا صلبًا ، وهو غير قابل للاشتعال في درجات الحرارة العالية ويمكن أن يمنع أيضًا نمو تشعبات الليثيوم لتجنب حدوث ثقب في الدوائر القصيرة. بالإضافة إلى ذلك ، فإنه يستخدم طبقة مركبة من الكربون الفضي (Ag-C) مثل الأنود ، والتي يمكن أن تزيد من كثافة الطاقة إلى 900Wh / L ، ولها دورة حياة طويلة لأكثر من 1000 دورة ، وكفاءة كولوم عالية جدًا (شحنة) وكفاءة التفريغ) بنسبة 99.8٪. يمكنه تشغيل البطارية بعد دفعة واحدة. قطعت السيارة 800 كيلومتر.

ومع ذلك ، فإن SAIT و SRJ التي نشرت الورقة هي مؤسسات بحث علمي وليست Samsung SDI ، التي تركز على التكنولوجيا. توضح المقالة فقط مبدأ البطارية الجديدة وهيكلها وأدائها. من الحكم الأولي أن البطارية لا تزال في مرحلة المختبر وسيكون من الصعب إنتاجها بكميات كبيرة في فترة قصيرة.

يتمثل الاختلاف بين بطاريات الحالة الصلبة وبطاريات الليثيوم أيون السائلة التقليدية في استخدام الإلكتروليتات الصلبة بدلاً من الإلكتروليتات والفواصل. ليس من الضروري استخدام أنودات الجرافيت المقحمة بالليثيوم. بدلاً من ذلك ، يتم استخدام معدن الليثيوم كأنود ، مما يقلل من عدد مواد الأنود. بطاريات طاقة ذات كثافة طاقة أعلى للجسم (> 350 وات / كغ) وعمر أطول (> 5000 دورة) ، بالإضافة إلى وظائف خاصة (مثل المرونة) ومتطلبات أخرى.

تشتمل بطاريات النظام الجديد على بطاريات صلبة وبطاريات ليثيوم وبطاريات معدنية هوائية. تتمتع البطاريات الثلاث الصلبة بمزاياها. الإلكتروليتات البوليمرات هي إلكتروليتات عضوية ، والأكاسيد والكبريتيدات عبارة عن إلكتروليتات خزفية غير عضوية.

بالنظر إلى الشركات العالمية للبطاريات الصلبة ، هناك شركات ناشئة ، وهناك أيضًا مصنعون دوليون. الشركات وحدها في نظام الإلكتروليت بمعتقدات مختلفة ، ولا يوجد اتجاه لتدفق التكنولوجيا أو التكامل. في الوقت الحالي ، تقترب بعض الطرق التقنية من ظروف التصنيع ، ولا يزال الطريق إلى أتمتة بطاريات الحالة الصلبة قيد التقدم.

تفضل الشركات الأوروبية والأمريكية أنظمة البوليمر والأكسيد. احتلت شركة Bolloré الفرنسية زمام المبادرة في تسويق بطاريات الحالة الصلبة القائمة على البوليمر. في ديسمبر 2011 ، دخلت سياراتها الكهربائية التي تعمل ببطاريات بوليمر صلبة بقدرة 30 كيلووات في الساعة + مكثفات كهربائية مزدوجة الطبقة سوق السيارات المشتركة ، والتي كانت المرة الأولى في العالم. بطاريات الحالة الصلبة التجارية للمركبات الكهربائية.

اشترت شركة دايسون البريطانية العملاقة للأجهزة المنزلية Sakti3 ، وهي شركة مصنعة للبطاريات ذات الحالة الصلبة لأكسيد الأغشية الرقيقة ، في عام 2015. وهي تخضع لتكلفة تحضير الأغشية الرقيقة وصعوبة الإنتاج على نطاق واسع ، ولم يكن هناك كتلة منتج الإنتاج لفترة طويلة.

تتمثل خطة ماكسويل للبطاريات الصلبة في دخول سوق البطاريات الصغيرة أولاً ، وإنتاجها بكميات كبيرة في عام 2020 ، واستخدامها في مجال تخزين الطاقة في عام 2022. من أجل التطبيق التجاري السريع ، قد يفكر ماكسويل أولاً في تجربة شبه بطاريات صلبة على المدى القصير. ومع ذلك ، فإن البطاريات شبه الصلبة أغلى ثمناً وتستخدم بشكل أساسي في مجالات طلب معينة ، مما يجعل التطبيقات واسعة النطاق صعبة.

تتمتع منتجات أكسيد غير الأغشية الرقيقة بأداء عام ممتاز وهي مشهورة حاليًا في التطوير. كل من تايوان Huineng و Jiangsu Qingdao لاعبان معروفان في هذا المضمار.

الشركات اليابانية والكورية أكثر التزامًا بحل مشاكل التصنيع لنظام الكبريتيد. قامت الشركات التمثيلية مثل Toyota و Samsung بتسريع انتشارها. تتمتع بطاريات الحالة الصلبة للكبريتيد (بطاريات الليثيوم-الكبريت) بإمكانيات تطوير هائلة نظرًا لكثافة طاقتها العالية وتكلفتها المنخفضة. من بينها ، تعد تكنولوجيا Toyota هي الأكثر تقدمًا. أصدرت بطاريات تجريبية بمستوى الأمبير والأداء الكهروكيميائي. في الوقت نفسه ، استخدموا أيضًا LGPS مع درجة حرارة الغرفة العالية الموصلية مثل المنحل بالكهرباء لإعداد حزمة بطارية أكبر.

أطلقت اليابان برنامج بحث وتطوير على الصعيد الوطني. التحالف الواعد هو Toyota و Panasonic (لدى Toyota ما يقرب من 300 مهندس يشاركون في تطوير بطاريات الحالة الصلبة). وقالت إنها ستعمل على تسويق بطاريات الحالة الصلبة في غضون خمس سنوات.

تبدأ خطة تسويق بطاريات الحالة الصلبة بالكامل التي طورتها Toyota و NEDO بتطوير بطاريات الحالة الصلبة بالكامل (بطاريات الجيل الأول) باستخدام مواد مفعمة بالحيوية وضارة من LIB. بعد ذلك ، ستستخدم مواد موجبة وسالبة جديدة لزيادة كثافة الطاقة (بطاريات الجيل التالي). من المتوقع أن تنتج تويوتا نماذج أولية للمركبات الكهربائية ذات الحالة الصلبة في عام 2022 ، وستستخدم بطاريات الحالة الصلبة في بعض الطرازات في عام 2025. وفي عام 2030 ، يمكن أن تصل كثافة الطاقة إلى 500 واط / كجم لتحقيق تطبيقات الإنتاج الضخم.

من منظور براءات الاختراع ، من بين أكبر 20 طالبًا براءة اختراع لبطاريات الليثيوم الصلبة ، استحوذت الشركات اليابانية على 11. تقدمت تويوتا لأكبر عدد من الطلبات ، حيث وصلت إلى 1,709 ، أي 2.2 مرة مقارنة بباناسونيك الثانية. أكبر 10 شركات كلها يابانية وكورية جنوبية ، بما في ذلك 8 في اليابان و 2 في كوريا الجنوبية.

من منظور تخطيط براءات الاختراع العالمية لأصحاب البراءات ، فإن اليابان والولايات المتحدة والصين وكوريا الجنوبية وأوروبا هي البلدان أو المناطق الرئيسية. بالإضافة إلى التطبيقات المحلية ، تمتلك Toyota أكبر عدد من الطلبات في الولايات المتحدة والصين ، حيث تمثل 14.7٪ و 12.9٪ من إجمالي طلبات براءات الاختراع ، على التوالي.

يخضع تصنيع بطاريات الحالة الصلبة في بلدي أيضًا للاستكشاف المستمر. وفقًا لخطة المسار الفني للصين ، في عام 2020 ، ستحقق تدريجيًا إلكتروليتًا صلبًا ، وتوليف مادة كاثود عالية الطاقة ، وتكنولوجيا هيكل هيكل ثلاثي الأبعاد لسبائك الليثيوم. سوف يتعرف على تصنيع عينة بطارية واحدة بسعة صغيرة 300Wh / kg. في عام 2025 ، ستحقق تقنية التحكم في واجهة بطارية الحالة الصلبة 400Wh / kg عينة بطارية مفردة ذات سعة كبيرة وتكنولوجيا المجموعة. من المتوقع أن يتم إنتاج بطاريات الحالة الصلبة وبطاريات الليثيوم - الكبريت بكميات كبيرة والترويج لها في عام 2030.

تشتمل بطاريات الجيل التالي في مشروع جمع التبرعات للاكتتاب العام لشركة CATL على بطاريات الحالة الصلبة. وفقًا لتقارير NE Times ، تتوقع CATL تحقيق الإنتاج الضخم لبطاريات الحالة الصلبة بحلول عام 2025 على الأقل.

بشكل عام ، تعد تقنية نظام البوليمر هي الأكثر نضجًا ، وولد أول منتج على مستوى EV. أدت طبيعتها المفاهيمية والتطلعية إلى تسريع الاستثمار في البحث والتطوير من قبل المتأخرين ، لكن الحد الأعلى للأداء يقيد النمو ، وسيكون المضاعفة مع الإلكتروليتات الصلبة غير العضوية حلاً محتملاً في المستقبل ؛ أكسدة؛ في نظام المواد ، يركز تطوير أنواع الأغشية الرقيقة على توسيع السعة والإنتاج على نطاق واسع ، والأداء العام للأنواع غير الأفلام أفضل ، وهو محور البحث والتطوير الحالي ؛ نظام الكبريتيد هو أكثر أنظمة بطاريات الحالة الصلبة الواعدة في مجال السيارات الكهربائية ، ولكن في حالة الاستقطاب مع وجود مساحة هائلة للنمو والتكنولوجيا غير الناضجة ، فإن حل مشكلات الأمان وقضايا الواجهة هو محور المستقبل.

تشمل التحديات التي تواجه بطاريات الحالة الصلبة بشكل أساسي ما يلي:

• تقلل التكاليف.
• تحسين سلامة الإلكتروليتات الصلبة.
• الحفاظ على الاتصال بين الأقطاب الكهربائية والإلكتروليتات أثناء الشحن والتفريغ.

تحتاج بطاريات الليثيوم-الكبريت ، والليثيوم-الهواء ، والأنظمة الأخرى إلى استبدال إطار هيكل البطارية بالكامل ، وهناك مشاكل أكثر وأكثر أهمية. يمكن للأقطاب الموجبة والسالبة لبطاريات الحالة الصلبة الاستمرار في استخدام النظام الحالي ، وصعوبة التحقيق ضئيلة نسبيًا. باعتبارها تقنية بطاريات الجيل التالي ، تتمتع بطاريات الحالة الصلبة بأمان أعلى وكثافة طاقة أعلى وستصبح الطريقة الوحيدة في عصر ما بعد الليثيوم.