В чем различия и преимущества твердотельных батарей по сравнению с традиционными литиевыми батареями?

Основные технологические различия

Традиционные литий-ионные батареи используют жидкий электролит, но твердотельные батареи отличаются. Они заменяют жидкий электролит твердым керамическим или полимерным материалом. Это изменение в структуре устраняет компоненты, которые могут загореться. При этом оно позволяет создавать более компактные конструкции элементов. Кроме того, традиционные литий-ионные батареи обычно имеют аноды из графита. В противоположность этому, твердотельные батареи часто используют металлические литиевые аноды. Это помогает твердотельным батареям хранить больше энергии в том же объеме.

Преимущества энергетической плотности и производительности

Так как твердотельные батареи не содержат жидких электролитов, они могут укладывать электродные материалы гораздо эффективнее. В результате их удельная энергия в 2-3 раза выше, чем у литий-ионных батарей. Что это значит? Для устройств это означает, что они смогут работать дольше. В применении к электромобилям это может привести к значительному снижению веса. Недавние исследования показали, что прототипы твердотельных ячеек могут достигать удельной энергии 500 Вт·ч/кг. На сравнение, высокопроизводительные литий-ионные батареи обычно имеют удельную энергию 250-300 Вт·ч/кг.

Улучшенные характеристики безопасности

Твердотельные батареи исключают горючие органические растворители. Из-за этого у них намного лучшая термическая стабильность, даже в экстремальных условиях. Лабораторные испытания на стресс выявили, что они могут сохранять свою структуру до 200°C. С другой стороны, литий-ионные батареи рискуют термическим выбросом при достижении температуры 150°C. Эта встроенная система безопасности делает твердотельные батареи очень подходящими для применений, где предотвращение отказа крайне важно, например, для медицинских имплантов и авиакосмических систем.

Скорость зарядки и циклическая жизнь

Некоторые передовые прототипы твердотельных батарей могут заряжаться до 80% своей емкости менее чем за 15 минут. При этом у них нет проблемы образования литиевого налета, которая может повредить традиционные литиевые батареи. Твердотельный электролитический интерфейс (SEI) в твердотельных батареях очень стабилен. Он может пройти более 5000 циклов зарядки, сохраняя при этом более 90% своей емкости. Эта долговечная износостойкость крайне важна для систем накопления энергии, которые должны ежедневно глубоко заряжаться и разряжаться и ожидается, что прослужат десятилетиями.

Преимущества, специфичные для применения

Электрические автомобили могут значительно выиграть от использования твердотельных батарей. При использовании того же объема для блоков батарей их запас хода может увеличиться на 30 - 50%. Кроме того, снижается риск возгорания. Переносные медицинские устройства смогут работать дольше между зарядками без ущерба для стандартов безопасности. Твердотельные батареи могут функционировать при широком диапазоне температур, от -40°C до 120°C. Это делает их надежными для использования в промышленном оборудовании, подвергающемся суровым климатическим условиям.

Рассмотрение экологического воздействия

Твердотельные батареи имеют более простую ячеистую архитектуру. Это означает, что им требуется меньше кобальта и других конфликтных минералов, которые обычно используются при производстве литий-ионных батарей. Устойчивость твердых электролитов делает процесс переработки безопаснее и позволяет достигать более высоких показателей восстановления материалов. Производители также добиваются прогресса в снижении энергопотребления, стремясь использовать на 40% меньше энергии по сравнению с традиционными методами производства литий-ионных батарей.