Uute energiatehnoloogia jõulise arendamise laines on tahkis aku kui väga paljutõotav järgmise põlvkonna akutehnoloogia pälvinud ulatuslikku tähelepanu kõigist elualadest. Kuna inimeste nõuded elektroonikaseadmete vastupidavuse ja elektrisõidukite sõiduvahemiku jaoks kasvavad jätkuvalt ning nende rõhuasetus aku ohutuse jõudlusele kasvab päevast päeva, eeldatakse tahkis aku, et nad käsitlevad ohutuse ja ulatuse osas paljusid traditsiooniliste vedelate liitium-ioon-ioonakude valupunkte. Kuid enne selle suuremahulist populariseerimist ja rakendust püsib tarbijate meelest võtmeküsimus: kas tahkis aku on ohutu ja võimeline pakkuma pikamaa? Sellele küsimusele vastamiseks peame süvenema tahkis akude töömehhanismi, tehnilisi omadusi ning praegust uurimistöö ja rakenduse olekut.
Tahke oleku aku tööpõhimõte ja struktuurilised omadused
Tuum erinevus tahke oleku aku ja traditsioonilise vedela liitium-ioon aku vahel on elektrolüütide kujul. Traditsioonilised vedelad liitium-ioonakud kasutavad vedelat elektrolüüti, et saavutada laadimis- ja tühjendusprotsess liitiumioonide liikumise kaudu positiivsete ja negatiivsete elektroodide vahel. Seevastu tahke oleku patareid kasutavad tahket elektrolüüti, mis on tavaliselt valmistatud keraamilistest, polümeeridest või sulfiidmaterjalidest. Tahkispatareides dekolitsevad liitiumioonid laadimise ajal ka positiivsest elektroodist ja interkaleerivad negatiivsesse elektroodi tahke elektrolüüdi kaudu; Väljatõstmise ajal liiguvad nad vastupidises suunas, samal ajal kui elektronid voolavad negatiivsest elektroodist positiivse elektroodini läbi välise vooluringi, genereerides seadme toiteallikaks voolu.
Tahke elektrolüüdi kasutamine annab ainulaadsete struktuuriliste omadustega tahkis-akud. Võrreldes vedela elektrolüüdiga, mis nõuab positiivsete ja negatiivsete elektroodide vahelise lühistamise vältimiseks eraldajat, on tahkel elektrolüütil endal ioonjuhtivuse ja elektroodide eraldamise kahesugused funktsioonid, muutes aku struktuuri kompaktsemaks. Vahepeal on tahkel elektrolüütil suurem stabiilsus ja on vähem altid lendumise ja lekke suhtes, pannes aluse aku paremaks jõudluseks.
Tahke oleku aku ohutus jõudlus
Traditsioonilised vedelate liitium-ioon patareid on kõrge temperatuuriga tingimustes termilise põgenemise oht. Kui aku temperatuur ületab teatud läve, näiteks 80 kraadi, võib vedel elektrolüüt laguneda tuleohtlike gaaside tekkeks ja aku küljereaktsioonid intensiivistuvad, põhjustades kiiret soojuse kogunemist ja põhjustades lõpuks aku süttimist või isegi plahvatust. Saksa TÜV -testimisagentuuri andmed paljastavad selgelt selle varjatud ohu.
Tahkispatareidel on termilise stabiilsuse osas olulised eelised. Lenduvate ja tuleohtlike vedelate komponentide puudumise tõttu tahkes elektrolüüdis on selle termiline stabiilsus palju suurem kui vedela elektrolüüdi oma. Jaapani uue energia- ja tööstustehnoloogia arendamise organisatsiooni (NEDO) läbi viidud punktsiooni test on muljetavaldav: kui terasest nõel tornib tahke oleku aku, tõuseb aku temperatuur ainult 2 kraadi, samas kui traditsiooniline vedela liitium-ioon aku süttib ja plahvatab vaid 3 sekundi jooksul. See eksperimentaalne tulemus näitab visuaalselt tahkispatareide paremat ohutust äärmise mehaanilise kuritarvitamise korral.
Paberil pealkirjaga "Kas tahke olekuga akud on turvalisemad kui (vedelad) liitium-ioon akud?" Avaldatud teaduses 2022. aasta aprillis arutasid teadlased vedelate liitium-ioonpatareide soojuse vabanemise ja temperatuuri tõusupiiride, teatud koguse elektrolüütidega pooleldi tahkete patareide ja kolme termilise stsenaariumi all oleva tahke oleku patareisid. Uuringus leiti, et välise kuumutamise põhjustatud termilises olekus edestavad kõik-tahkete olekute akud poolpikkust ja vedelat liitium-ioonakusid. Tahke elektrolüüdi kõrge tihedus kõigis tahketes olekutes võib moodustada efektiivse gaasitõkke, mis takistab liitiumi vahelist kontakti negatiivsel elektroodil ja hapnikul, mis on eraldunud positiivsest elektroodist. Selle hüpoteetilise stsenaariumi korral ei oleks soojuse olulist vabanemist.
Liitiumdendriidi kasvu pärssimine
Traditsiooniliste vedelate liitium-ioonakude laadimis- ja tühjendamisprotsessi ajal võivad liitiumioonid kiire laadimise ajal otseselt kristalliseeruda negatiivse elektroodi pinnale, moodustades ohtlikud liitium-dendriidid. Liitium -dendriitide kasv ei põhjusta mitte ainult aku mahu lagunemist, vaid võib ka eraldaja torgata, põhjustades positiivse ja negatiivse elektroodi vahelise lühise ja käivitades ohutusjuhtumi. Selle varjatud ohu paljastasid CATL -i insenerid.
Tahkispatareid näitavad potentsiaali liitiumi dendriidi kasvu pärssimisel. Tahke elektrolüüdi spetsiaalne struktuur ja omadused võivad anda ühtlasema tee liitiumioonide migratsioonile, vähendades liitiumdendriiti moodustumise võimalust. Ehkki liitiumi dendriidi kasv täielikult kõrvaldamine tekitab praktilistes rakendustes endiselt väljakutseid, on tahkis akude paranemissuundumus selles osas ilmne, võrreldes vedelate liitium-ioonakudega.
Võimalikud ohutusriskid
Hoolimata tahkispatareide paljudest eelistest ohutuse osas, pole need täiesti ohutud. Teatud äärmuslikel juhtudel, näiteks kui tahke elektrolüüt ebaõnnestub või liitium-dendriidid tungivad tahkesse elektrolüüti, põhjustades lühikese vooluahela, ei ole kõik-tahkete olekute akude ja poolhaavade akude ohutus parem kui vedelate liitium-ioon-ioon-akude oma. Wuhani ülikooli keemia- ja molekulaarsete teaduste kooli professor Ai Xinping juhib tähelepanu sellele, et väitel, et kõigi tahkete olekute akudel on nii suur energiatihedus kui ka hea ohutus, hõlmab tegelikult kontseptuaalset käeulatust. Kuna mõned tahkispatareide materjalid võivad õnnetuse korral tekitada toksilisi gaase, näiteks vesiniksulfiidi, ehkki need ei põle otseselt inimesi nagu traditsioonilised akud, on vesiniksulfiidigaas toksiline ja võib põhjustada inimkehale tõsist kahju.
Tahke oleku aku potentsiaal vahemikus
Teoreetiliselt on tahkispatareidel potentsiaal saavutada kõrge energiatihedus, mis eeldatavasti parandab seadmete vastupidavust märkimisväärselt. Tahke elektrolüüt võimaldab negatiivse elektroodina kasutada puhast metallilist liitiumi, mis suurendab märkimisväärselt energia salvestusmahtu mahuühiku kohta. Hiina Teaduste Akadeemia bioenergia ja bioprotsessitehnoloogia instituudi Qingdao eksperimentaalsed andmed näitavad, et nende tahkis akuproovide energiatihedus on ületanud 500Wh/kg, samas kui Tesla mudelis 3 kasutatud 21700 aku energiatihedus on vaid 260WH/kg.
Võttes näitena elektrisõidukeid, on sõiduvahemik alati olnud tarbijate tähelepanu keskmes. Cheryst pärit Kunpengi aku kui tahkispatareide esindaja, kavatseb 2024. aastal saavutada energiatiheduse 400Wh/kg ja suurendada seda 600Wh/kg-ni 2025. aastal. Plaani kohaselt peaks massiliselt toodetud 2027. aastal massitoodet puhast elektri ulatust ületama 1500 km. Kui need eesmärgid saavutatakse, leevendab see suuresti elektrisõidukite kasutajate ärevust.
Väljakutsed tegelikus vahemikus
Laborist kuni praktiliste rakendusteni seisavad tahkispatareisid silmitsi vahemiku osas endiselt mõningate väljakutsetega. Esiteks on tahkete elektrolüütide ja elektroodide vaheline liidese takistus suhteliselt silmapaistev, mis sarnaneb maanteel tasulise boksi seadistamisega, takistades liitiumioonide kiiret levikut ning mõjutades aku laadimis- ja tühjenemise efektiivsust, mõjutades seeläbi ebaõnnestunult vahemikku. Teiseks, sulfiidi elektrolüüdi surmav viga, mis tekitab veega kokkupuutel väga toksilist vesiniksulfiidi, ei suurenda mitte ainult aku tootmise ja kasutamise ajal ohutusriske, vaid on ka tõsiseid väljakutseid aku stabiilsusele ja usaldusväärsusele. Lisaks põhjustab tahke elektrolüütide kile ettevalmistamise madal saagis suured tootmiskulud suures mahus, piirates tahkispatareide laialdast kasutamist ja mõjutades kaudselt nende pikamaa eeliste turul demonstreerimise protsessi.
Järeldus ja väljavaade
Kokkuvõtlikult näitavad tahkispatareisid ohutuse ja ulatuse osas märkimisväärset potentsiaali. Ohutuse osas on nende termilise stabiilsuse eelised ilmsed ja need võivad tõhusalt pärssida liitiumi dendriidi kasvu, muutes need enamikul juhtudel ohutumaks ja usaldusväärsemaks kui traditsioonilised vedelate liitium-ioonakud. Kuid ekstreemsete olukordade nagu tahke elektrolüütide rike korral on endiselt teatud ohutusriskid. Valiku osas annab suure energiatiheduse teoreetiline eelis pikamaa jaoks võimaluse ning mõned eksperimentaalsed andmed ja ettevõtte plaanid näitavad ka paljutõotavaid väljavaateid. Kuid praktilistes rakendustes on sellised küsimused nagu liidese takistus, elektrolüütide defektid ja kulud muutunud takistusteks, mis takistavad nende pikamaa eeliste täielikku realiseerimist.
Hoolimata arvukate väljakutsetega, peetakse tahkispatareisid endiselt järgmise põlvkonna akutehnoloogia oluliseks arengusuunaks.