توسعه فعلی باتری های حالت جامد چگونه است؟

باتری های حالت جامد به باتری های تولید شده با استفاده از الکترودهای حالت جامد و الکترولیت های حالت جامد اشاره دارند. متفاوت از باتری های موجود به شکل مایع، آن ها یکی از جهت های اصلی برای توسعه باتری های جدید خودروهای انرژی در آینده هستند. به تازگی هنگامی که گروه فولک واگن گزارش مالی سه ماهه دوم خود را اعلام کرد، هربرت دس مدیر عامل گروه فولک واگن گفت که فولگان قصد دارد به طور مستقل باتری های حالت جامد تولید کند و تولید انبوه ممکن است در سال ۲۰۲۴ یا ۲۰۲۵ آغاز شود. با توجه به ملی "صرفه جویی در انرژی و انرژی جدید فناوری خودرو راه راه"، تا سال 2025، هدف تراکم انرژی باتری های لیتیوم برای خودروهای الکتریکی خالص 400Wh/kg، و هدف در سال 2030 500Wh/kg است. تا آنجا که به باتری ترنی که در حال حاضر به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد، تنگنای فنی موجود در این مرحله دستیابی به اهداف فوق را دشوار می کند.

اگر چگالی انرژی باتری های لیتیوم قدرت رسیدن به هدف چگالی انرژی بیشتر از ۵۰۰Wh/kg به صورت برنامه ریزی شده باشد، سیستم باتری الکترولیت مایع موجود ممکن است ناتوان باشد. به عنوان نسل بعدی مسیر فن آوری باتری برای 500Wh/kg، تحقیق و توسعه سیستم باتری حالت جامد تبدیل به یک تقاضای سفت و سخت شده است. توسعه میان مدت و بلند مدت صنعت خودروسازی انرژی جدید نیاز به ذخایر فنی جدیدی دارد و انتظار می رود باتری های لیتیوم یون حالت جامد به مسیر فناوری غالب برای نسل بعدی باتری های لیتیوم قدرت خودرو تبدیل شوند. این نه تنها یک جهت توسعه مهم برای باتری های ثانویه در آینده، بلکه یک کار مهم در حال حاضر است.

باتری های حالت جامد در مقایسه با باتری های ترنری چه مزایایی دارند؟ اول از همه، از نظر چگالی انرژی، پنجره الکتروشیمیایی الکترولیت های آلی که در حال حاضر در باتری های ترنری و دیگر باتری های یون لیتیوم مورد استفاده قرار می گیرند محدود است و سازگار بودن با آندهای لیتیوم فلزی و مواد کاتد با پتانسیل بالا که به تازگی توسعه یافته است، دشوار است. با این حال الکترولیت های جامد عموماً ظرفیت الکتریکی گسترده تری نسبت به الکترولیت های آلی دارند. پنجره شیمیایی به افزایش بیشتر چگالی انرژی باتری کمک می کند. دوم اینکه از نظر حجم، از آنجا که الکترولیت با الکترولیت جامد جایگزین می شود، حجم یک باتری جامد تحت همان چگالی انرژی کوچکتر خواهد بود. با همان مقدار قدرت، باتری های حالت جامد کوچکتر خواهند شد. در شرایطی که چگالی انرژی به همین شکل باقی بماند، جرم و حجم باتری حالت جامد با بار مشابه کوچکتر از باتری الکترولیت مایع خواهد بود. نه تنها این، چون الکترولیتی در باتری حالت جامد وجود ندارد، مهر و موم کردن آن آسان تر است. در هنگام استفاده از آن در تجهیزات در مقیاس بزرگ مانند خودرو، لازم نیست لوله های خنک کننده اضافی، کنترل های الکترونیکی و غیره اضافه شود که باعث صرفه جویی در هزینه ها در حالی که وزن خود را کاهش می دهد. پس از استفاده از یک الکترولیت جامد می توان الکترود منفی گرافیت را با لیتیوم فلزی جایگزین کرد که به طور قابل توجهی وزن کل باتری را کاهش می دهد.

از دیدگاه چیدمان باتری های حالت جامد در کشورهای مختلف، تویوتا در فناوری پیشرفته تر است. در سال ۲۰۱۰ باتری های حالت جامد سولفید را راه اندازی کرد. در سال ۲۰۱۴ چگالی انرژی نمونه آزمایشی باتری به ۴۰۰Wh/kg رسید. تا فوریه ۲۰۱۷، پتنت های مربوط به باتری حالت جامد تویوتا به ۳۰ نفر رسید که به مراتب بالاتر از شرکت های دیگر بود. به گفته مدیران تویوتا، تویوتا به صنعتی شدن باتری های حالت جامد سولفید در سال ۲۰۲۰ پی خواهد گرفت. علاوه بر این ، سامسونگ نیز به نتایج خاصی دست یافته است ، با استفاده از الکترولیت های جامد مبتنی بر سولفید به محاکمه تولید 2000mAh ، 175Wh / کیلوگرم لمینت تمام جامد باتری ثانویه.

شرکت داخلی CATL نیز در باتری های حالت جامد سولفید نسبتاً بالغ است، و در حال حاضر در حال تسریع در توسعه باتری های فلزی لیتیوم تمام حالت جامد سولفید برای ای وی ها است. علاوه بر این، شایان ذکر است که گانفنگ لیتیوم به تازگی پروژه خط آزمایشی تحقیقات و توسعه باتری حالت جامد نسل اول را به پایان رسانده است و نمونه های آن بازرسی مرکز بازرسی خودرو موسسه تحقیقات خودرو چین را پشت سر گذارده اند و این پروژه سابقه تمرین موفقی در چین ندارد که یک رهبر بین المللی است دستیابی به موفقیت تکنولوژیک انتظار می رود در سال ۲۰۱۹ به تولید انبوه دست یابد.

در مقایسه با باتری های ترنری، باتری های حالت جامد مزایای زیادی دارند، چرا نتوانسته اند به تولید انبوه دست یابند؟ کلید باتری های حالت جامد مواد الکترولیت حالت جامد است. مهم ترین دلیل دشواری در توسعه باتری های حالت جامد در این مرحله، شکست مواد الکترولیتی برای رسیدن به پیشرفت ها است. هیچ یک از مواد الکترولیت جامد غیر عضوی موجود و الکترولیت پلیمری دارای هدایت یونی بالا و استحکام مکانیکی نیست، بلکه خواص پردازش خوبی نیز دارد.

مشکلات فنی باتری های لیتیوم قدرت همواره تنگنای محدود کننده توسعه خودروهای انرژی جدید بوده است و تنگنای شکستن باتری های حالت جامد نیز در فناوری است. در رقابت شدید امروز در صنعت باتری لیتیوم قدرت، شرکت هایی که واقعا آخرین خنده را دارند، اغلب کسانی هستند که بر فناوری های هسته تسلط دارند. باتری های حالت جامد یک جهت توسعه فناوری مهم در آینده هستند، و در حال حاضر اجماع صنعت است. این که آیا شرکت های چینی می توانند در «نبرد سخت» بعدی پیروز شوند، هنوز به تلاش های مشترک همکاران در این صنعت نیاز دارد.