stringtranslate.com

Твердотельная батарея

Твердотельная батарея — это электрическая батарея , которая использует твердый электролит для ионной проводимости между электродами вместо жидких или гелевых полимерных электролитов, используемых в обычных батареях. [1] Твердотельные батареи теоретически обеспечивают гораздо более высокую плотность энергии , чем типичные литий-ионные или литий-полимерные батареи. [2]

Хотя твердые электролиты были впервые обнаружены в 19 веке, ряд проблем помешал их широкому применению. Разработки в конце 20 и начале 21 века вызвали новый интерес к этой технологии, особенно в контексте электромобилей .

Твердотельные батареи могут использовать металлический литий для анода и оксиды или сульфиды для катода , увеличивая плотность энергии. Твердый электролит действует как идеальный сепаратор, который пропускает только ионы лития. По этой причине твердотельные батареи потенциально могут решить многие проблемы используемых в настоящее время литий-ионных батарей с жидким электролитом , такие как воспламеняемость, ограниченное напряжение, нестабильное образование твердоэлектролитного интерфейса, плохая производительность при циклировании и прочность. [5]

Материалы, предлагаемые для использования в качестве электролитов, включают керамику (например, оксиды, сульфиды, фосфаты) и твердые полимеры. Твердотельные батареи используются в кардиостимуляторах , а также в RFID и носимых устройствах [ требуется ссылка ] . Твердотельные батареи потенциально безопаснее, с более высокой плотностью энергии. Проблемы широкого внедрения включают плотность энергии и мощности , долговечность , материальные затраты , чувствительность и стабильность. [6]

История

Источник

Между 1831 и 1834 годами Майкл Фарадей открыл твердые электролиты сульфид серебра и фторид свинца (II) , которые заложили основу твердотельной ионики . [7] [8]

1900-е-2009

К концу 1950-х годов несколько электрохимических систем с проводимостью серебра использовали твердые электролиты, ценой низкой плотности энергии и напряжения ячеек, а также высокого внутреннего сопротивления . [9] [10] В 1967 году открытие быстрой ионной проводимости β- оксида алюминия для широкого класса ионов (Li+, Na+, K+, Ag+ и Rb+) дало толчок разработке твердотельных электрохимических устройств с повышенной плотностью энергии. [11] [10] [12] Вскоре после этого в Ford Motor Company в США были разработаны ячейки из расплавленного натрия/β-оксида алюминия/серы [13] и NGK в Японии. [10] Этот энтузиазм проявился в открытии новых систем как в органических веществах, т. е. поли(этилен)оксиде ( ПЭО ), так и в неорганических веществах, таких как NASICON. [10] Однако многие из этих систем требовали работы при повышенных температурах и/или были дорогими в производстве, что ограничивало коммерческое внедрение. [10] Новый класс твердотельных электролитов, разработанных Национальной лабораторией Ок-Ридж , литий-фосфорный оксинитрид (LiPON), появился в 1990-х годах. LiPON успешно использовался для изготовления тонкопленочных литий-ионных аккумуляторов , [14] хотя применение было ограничено из-за стоимости, связанной с осаждением тонкопленочного электролита, а также из-за небольших емкостей, которые можно было получить с помощью тонкопленочного формата. [15] [16]

2010-2019

В 2011 году Камая и др. продемонстрировали первый твердый электролит Li 10 GeP 2 S 12 (LGPS), способный достигать объемной ионной проводимости, превышающей проводимость жидких электролитов при комнатной температуре. [17] Благодаря этому объемные твердоионные проводники наконец смогли технологически конкурировать с литий-ионными аналогами.

Исследователи и компании в транспортной отрасли возродили интерес к технологиям твердотельных аккумуляторов. В 2011 году Bolloré запустила парк своих моделей автомобилей BlueCar. Демонстрация была призвана продемонстрировать ячейки компании и включала литий-металл-полимерную (LMP) батарею емкостью 30 кВт·ч с полимерным электролитом, созданным путем растворения литиевой соли в полиоксиэтиленовом сополимере.

В 2012 году Toyota начала проводить исследования в области автомобильных приложений. [18] В то же время Volkswagen начал сотрудничать с небольшими технологическими компаниями, специализирующимися на этой технологии.

В 2013 году исследователи из Университета Колорадо в Боулдере объявили о разработке твердотельной литиевой батареи с твердым железо - серным композитным катодом , которая обещала более высокую энергию. [19]

В 2017 году Джон Гуденаф , соавтор литий-ионных аккумуляторов, представил твердотельную стеклянную батарею , в которой использовался стеклянный электролит и щелочно -металлический анод, состоящий из лития , натрия или калия . [20] Позже в том же году Toyota расширила свое многолетнее партнерство с Panasonic , включив в него сотрудничество по твердотельным аккумуляторам. [21] По состоянию на 2019 год Toyota имела наибольшее количество патентов, связанных с SSB. [22] За ними следовали BMW , [23] Honda , [24] Hyundai Motor Company , [25] и Nissan . [26]

В 2018 году компания Solid Power, отделившаяся от Университета Колорадо в Боулдере [27], получила финансирование в размере 20 миллионов долларов от Samsung и Hyundai для создания производственной линии, которая могла бы выпускать копии прототипа полностью твердотельной перезаряжаемой литий-металлической батареи [28] с прогнозируемой мощностью 10 мегаватт-часов в год. [29]

В 2018 году компания Qing Tao запустила первую китайскую линию по производству твердотельных аккумуляторов для поставки SSB для «специального оборудования и высокотехнологичных цифровых продуктов». [30]

2020-настоящее время

QuantumScape — это стартап по производству твердотельных аккумуляторов, который отделился от Стэнфордского университета . Он стал публичным на NYSE 29 ноября 2020 года в рамках слияния SPAC с Kensington Capital. [31] [32] В 2022 году компания представила свои 24-слойные прототипные ячейки A0. В первом квартале 2023 года она представила QSE-5, литий-металлический элемент емкостью 5 ампер-часов. PowerCo от Volkswagen заявила, что прототип A0 соответствует заявленным показателям производительности. Конструкция FlexFrame от QuantumScape сочетает в себе призматическую и пакетную конструкции ячеек, чтобы обеспечить расширение и сжатие ячеек во время циклирования. [33] [34]

В июле 2021 года Murata Manufacturing объявила, что начнет массовое производство, ориентируясь на производителей наушников и других носимых устройств. [35] Емкость ячейки составляет до 25 мАч при 3,8 В, [36] что делает ее пригодной для небольших мобильных устройств, таких как наушники, но не для электромобилей. Литий-ионные ячейки, используемые в электромобилях, обычно предлагают от 2000 до 5000 мАч при аналогичном напряжении: [37] электромобилю потребуется как минимум в 100 раз больше ячеек Murata для обеспечения эквивалентной мощности.

Ford Motor Company и BMW профинансировали стартап Solid Power на сумму 130 миллионов долларов, и по состоянию на 2022 год компания привлекла 540 миллионов долларов. [38]

В сентябре 2021 года Toyota объявила о своих планах по использованию твердотельных аккумуляторов, начиная с гибридных моделей в 2025 году. [39]

В феврале 2021 года Hitachi Zosen объявила о демонстрационных экспериментах на Международной космической станции . Cygnus No. 17, запущенный 19 февраля 2022 года, подтвердил, что полностью твердотельные батареи будут испытаны на МКС. [40]

В январе 2022 года ProLogium подписала соглашение о техническом сотрудничестве с Mercedes-Benz . Инвестиции будут использованы для разработки твердотельных аккумуляторов и подготовки производства. [41]

В начале 2022 года Swiss Clean Battery (SCB) объявила о планах открыть первый в мире завод по производству устойчивых твердотельных аккумуляторов во Фрауэнфельде к 2024 году с первоначальным годовым объемом производства 1,2 ГВт-ч. [42]

В июле 2022 года компания Svolt объявила о производстве электрической батареи емкостью 20 Ач с плотностью энергии 350–400 Вт·ч/кг. [43]

В июне 2023 года компания Maxell Corporation начала массовое производство твердотельных аккумуляторов большой емкости. Этот аккумулятор отличается длительным сроком службы и термостойкостью. Производство цилиндрических твердотельных аккумуляторов емкостью 200 мкАч должно было начаться в январе 2024 года. Размер: диаметр 23 мм/высота 27 мм. [44]

В сентябре 2023 года Panasonic представила твердотельную батарею для дронов . Ее можно зарядить с 10% до 80% за 3 минуты, и она выдерживает от 10 000 до 100 000 циклов при температуре 25 °C. Ожидалось, что батарея будет доступна в конце 2020-х годов. [45]

В октябре 2023 года Toyota объявила о партнерстве с Idemitsu Kosan с целью производства твердотельных аккумуляторов для их электромобилей, начиная с 2028 года. [46]

В октябре 2023 года Factorial Energy открыла завод по производству аккумуляторов в Метуэне, штат Массачусетс , и начала поставлять 100 Ач A-образцы автомобильным партнерам, в общей сложности более 1000 ячеек A-образца для Mercedes-Benz. Ее технология использует литий-металлический анод, квазитвердый электролит и катод высокой емкости. Его плотность энергии составляет 391 Вт·ч/кг. [47]

В ноябре 2023 года Guangzhou Automobile Group объявила, что в 2026 году она примет твердотельные батареи. Компания также сообщила, что ее батарея достигла 400 Вт·ч/кг. Массовое производство планировалось начать в 2025 году. [48]

28 декабря 2023 года Hyundai опубликовала свой патент на «систему полностью твердотельных аккумуляторов, снабженную устройством наддува». Элемент представляет собой твердотельную батарею, которая поддерживает постоянное давление независимо от скорости зарядки и разрядки. Система включает в себя изотемпературный элемент. [49]

В январе 2024 года Volkswagen объявил, что результаты испытаний прототипа твердотельной батареи показали, что она сохранила 95% своей емкости после пробега в 500 000 км. Она также прошла другие испытания производительности. [50]

В апреле 2024 года Factorial подписала меморандум о взаимопонимании с LG Chem. В июне она отправила свои первые 106 Ач B-образцы в Mercedes-Benz для тестирования. [47]

Материалы

Кандидаты на роль твердотельных электролитов (SSE) включают керамику, такую ​​как ортосиликат лития , [51] стекло , [20] сульфиды [52] и RbAg 4 I 5 . [53] [54] Основные оксидные твердые электролиты включают Li 1,5 Al 0,5 Ge 1,5 (PO 4 ) 3 (LAGP), Li 1,4 Al 0,4 Ti 1,6 (PO 4 ) 3 (LATP), перовскитный тип Li 3x La 2/3-x TiO 3 (LLTO) и гранатовый тип Li 6,4 La 3 Zr 1,4 Ta 0,6 O 12 (LLZO) с металлическим Li. [55] Термическая стабильность по отношению к Li четырех SSE была в порядке LAGP < LATP < LLTO < LLZO. Хлоридные суперионные проводники были предложены в качестве еще одного перспективного твердого электролита. Они являются ионно-проводящими, а также деформируемыми сульфидами, но в то же время не страдают от плохой окислительной стабильности сульфидов. Помимо этого, их стоимость считается ниже, чем у оксидных и сульфидных SSE. [56] Существующие системы хлоридных твердых электролитов можно разделить на два типа: Li 3 MCl 6 [57] [58] и Li 2 M 2/3 Cl 4 . [59] Элементы M включают Y, Tb-Lu, Sc и In. Катоды основаны на литии. Варианты включают LiCoO 2 , LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , LiMn 2 O 4 и LiNi 0,8 Co 0,15 Al 0,05 O 2 . Аноды различаются больше и зависят от типа электролита. Примеры включают In, Si , Ge x Si 1− x , SnO–B 2 O 3 , SnS –P 2 S 5 , Li 2 FeS 2 , FeS, NiP 2 и Li 2 SiS 3 . [60]

Одним из перспективных катодных материалов является Li–S , который (как часть твердого литиевого анода/элемента Li 2 S) имеет теоретическую удельную емкость 1670 мАч г −1 , «в десять раз больше эффективного значения LiCoO 2 ». Сера делает катод неподходящим для применения в жидких электролитах, поскольку она растворима в большинстве жидких электролитов, что резко сокращает срок службы батареи. Сера изучается в твердотельных приложениях. [60] Недавно был разработан керамический текстиль, который показал себя многообещающим в твердотельной батарее Li–S. Этот текстиль способствовал передаче ионов, а также справлялся с загрузкой серы, хотя и не достигал прогнозируемой плотности энергии. Результат «с электролитной поддержкой толщиной 500 мкм и 63% использованием площади электролита» составил «71 Вт·ч/кг». в то время как прогнозируемая плотность энергии составляла 500 Вт·ч/кг. [61]

Li-O 2 также имеют высокую теоретическую емкость. Основная проблема с этими устройствами заключается в том, что анод должен быть изолирован от окружающей атмосферы, в то время как катод должен контактировать с ней. [60]

Батарея Li/ LiFePO 4 обещает быть твердотельным приложением для электромобилей. Исследование 2010 года представило этот материал как безопасную альтернативу перезаряжаемым батареям для электромобилей, которые «превосходят цели USABC-DOE». [62]

Ячейка с анодом из чистого кремния μSi||SSE||NCM811 была собрана Дарреном Х.С. Таном и др. с использованием анода μSi (чистота 99,9 мас. %), твердотельного электролита (SSE) и катода из оксида лития-никеля-кобальта-марганца (NCM811). Этот вид твердотельной батареи продемонстрировал высокую плотность тока до 5 мА см −2 , широкий диапазон рабочих температур (-20 °C и 80 °C) и поверхностную емкость (для анода) до 11 мАч см −2 (2890 мАч/г). В то же время после 500 циклов при 5 мА см −2 батареи по-прежнему обеспечивают 80% сохранения емкости, что является лучшим показателем среди всех твердотельных батарей μSi, о которых сообщалось до сих пор. [63]

Хлоридные твердые электролиты также показывают многообещающие результаты по сравнению с обычными оксидными твердыми электролитами благодаря тому, что хлоридные твердые электролиты теоретически обладают более высокой ионной проводимостью и лучшей формуемостью. [64] Кроме того, исключительно высокая окислительная стабильность и высокая пластичность хлоридного твердого электролита улучшают его производительность. В частности, семейство твердых электролитов на основе смешанного лития и хлорида металлов, Li 2 In x Sc 0,666-x Cl 4 , разработанное Чжоу и др., демонстрирует высокую ионную проводимость (2,0 мСм см −1 ) в широком диапазоне составов. Это связано с тем, что хлоридный твердый электролит может использоваться в сочетании с открытыми катодными активными материалами в отличие от покрытых катодных активных материалов и его низкой электронной проводимости. [65] Альтернативные более дешевые хлоридные твердые электролитные составы с более низкой, но все же впечатляющей ионной проводимостью можно найти с твердым электролитом Li 2 ZrCl 6 . Этот конкретный хлоридный твердый электролит сохраняет высокую ионную проводимость при комнатной температуре (0,81 мСм см −1 ), деформируемость и имеет высокую устойчивость к влажности. [66]

Использует

Твердотельные батареи потенциально полезны в кардиостимуляторах , RFID-устройствах , носимых устройствах и электромобилях . [67] [68]

Электромобили

Гибридные и подключаемые электромобили используют различные технологии аккумуляторов, включая литий-ионные (Li-ion) , никель-металл-гидридные (NiMH) , свинцово-кислотные и конденсаторы с двойным электрическим слоем (или ультраконденсаторы), [69] причем литий-ионные аккумуляторы доминируют на рынке из-за их превосходной плотности энергии . [70]

В 2022 году Honda заявила, что планирует запустить демонстрационную линию по производству полностью твердотельных аккумуляторов в начале 2024 года [71] , а Nissan объявила, что к 2028 финансовому году она намерена выпустить электромобиль с полностью твердотельными аккумуляторами, которые будут разработаны собственными силами. [72]

В июне 2023 года Toyota обновила свою стратегию в отношении электромобилей , заявив, что не будет использовать коммерческие твердотельные батареи как минимум до 2027 года. [73] [74]

Носимые устройства

Характеристики высокой плотности энергии и сохранения высокой производительности даже в суровых условиях ожидаются при реализации новых носимых устройств , которые будут меньше и надежнее, чем когда-либо. [67] [75]

Оборудование в космосе

В марте 2021 года промышленный производитель Hitachi Zosen Corporation анонсировал твердотельную батарею, которая, по их словам, имеет одну из самых высоких емкостей в отрасли и более широкий диапазон рабочих температур, потенциально подходящую для суровых условий, таких как космос. [76] [77] Испытательная миссия была запущена в феврале 2022 года, а в августе Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA) объявило [78] , что твердотельные батареи правильно заработали в космосе, питая съемочное оборудование в японском экспериментальном модуле Kibō на Международной космической станции (МКС).

Дроны

Поскольку они легче и мощнее традиционных литий-ионных аккумуляторов, вполне логично, что коммерческие дроны выиграют от использования твердотельных аккумуляторов. Vayu Aerospace, производитель и конструктор дронов, отметили увеличение времени полета после того, как они включили их в свой дрон G1 для длительных полетов. [79] Еще одним преимуществом дронов является то, что все твердотельные аккумуляторы могут быстро заряжаться. В сентябре 2023 года Panasonic анонсировала прототип полностью твердотельного аккумулятора, который может заряжаться с 10% до 80% за 3 минуты. [45]

Промышленное оборудование

Полностью твердотельные батареи имеют длительный срок службы и отличную термостойкость. Поэтому ожидается, что они будут использоваться в суровых условиях. Производство полностью твердотельных батарей Maxell для использования в промышленном оборудовании уже началось.

Портативные солнечные генераторы

В 2023 году Yoshino станет первым производителем твердотельных портативных солнечных генераторов, с в 2,5 раза большей плотностью энергии, удвоенной номинальной и импульсной выходной мощностью переменного тока для нетвердотельных литиевых (NMC, LFP) генераторов. [80] [81] [82]

Вызовы

Расходы

Тонкопленочные твердотельные батареи дороги в производстве [83] и используют производственные процессы, которые считаются сложными для масштабирования, требуя дорогостоящего оборудования для вакуумного напыления . [14] В результате стоимость тонкопленочных твердотельных батарей становится непомерно высокой в ​​потребительских приложениях. В 2012 году было подсчитано, что на основе современных технологий твердотельная батарея емкостью 20 Ач будет стоить 100 000 долларов США , а для электромобиля с большим запасом хода потребуется от 800 до 1000 таких ячеек. [14] Аналогичным образом, стоимость препятствует внедрению тонкопленочных твердотельных батарей в других областях, таких как смартфоны . [67]

Чувствительность к температуре и давлению

Эксплуатация при низких температурах может быть сложной. [83] Твердотельные батареи исторически имели низкую производительность. [19]

Твердотельные батареи с керамическими электролитами требуют высокого давления для поддержания контакта с электродами. [84] Твердотельные батареи с керамическими сепараторами могут сломаться от механического воздействия. [14]

В ноябре 2022 года японская исследовательская группа, состоящая из Киотского университета , Университета Тоттори и Sumitomo Chemical , объявила, что им удалось обеспечить стабильную работу твердотельных батарей без приложения давления с емкостью 230 Вт·ч/кг за счет использования новых сополимеризованных материалов для электролита. [85]

В июне 2023 года японская исследовательская группа Высшей школы инженерии в Университете Осаки Метрополитен объявила, что им удалось стабилизировать высокотемпературную фазу Li 3 PS 4 (α- Li 3 PS 4 ) при комнатной температуре. Это было достигнуто путем быстрого нагрева для кристаллизации стекла Li 3 PS 4. [86]

Межфазное сопротивление

Высокое сопротивление на границе раздела между катодом и твердым электролитом является давней проблемой для твердотельных аккумуляторов. [87]

Нестабильность на границе раздела

Нестабильность интерфейса электрод-электролит всегда была серьезной проблемой в твердотельных батареях. [88] После контакта твердотельного электролита с электродом химические и/или электрохимические побочные реакции на интерфейсе обычно приводят к пассивированному интерфейсу, который препятствует диффузии Li + через интерфейс электрод-SSE. При высоковольтном циклировании некоторые SSE могут подвергаться окислительной деградации.

Дендриты

Дендрит металлического лития от анода пробивает сепаратор и растёт по направлению к катоду.

Твердые литиевые (Li) металлические аноды в твердотельных батареях являются кандидатами на замену в литий-ионных батареях для более высокой плотности энергии , безопасности и более быстрого времени перезарядки. Такие аноды, как правило, страдают от образования и роста дендритов Li , неравномерных металлических наростов, которые проникают в электролит, что приводит к коротким замыканиям . Это короткое замыкание приводит к разряду энергии, перегреву , а иногда и к возгораниям или взрывам из-за теплового разгона . [89] Дендриты Li снижают кулоновскую эффективность . [90]

Точные механизмы роста дендритов остаются предметом исследований. Исследования роста металлических дендритов в твердых электролитах начались с исследования ячеек расплавленного натрия / натрия - β - глинозема / серы при повышенной температуре. В этих системах дендриты иногда растут в результате расширения микротрещин из-за наличия давления, вызванного гальванопокрытием, на границе раздела натрия / твердого электролита. [91] Однако рост дендритов может также происходить из-за химической деградации твердого электролита. [92]

В твердых электролитах Li-ion, которые, по-видимому, стабильны по отношению к металлическому литию, как было визуализировано и измерено с помощью экспериментов по фотоупругости, дендриты распространяются в первую очередь из-за повышения давления на границе раздела электрод/твердый электролит, что приводит к расширению трещин. [ необходимо разъяснение ] [93] Между тем, для твердых электролитов, которые химически нестабильны по отношению к соответствующему металлу, [ необходимо дальнейшее разъяснение ] межфазный рост и возможное растрескивание часто препятствует образованию дендритов. [ необходимо дальнейшее разъяснение ] [94]

Рост дендритов в твердотельных литий-ионных элементах можно смягчить, эксплуатируя элементы при повышенной температуре, [95] или используя остаточные напряжения для повышения прочности электролитов, [96] тем самым отклоняя дендриты и задерживая вызванное дендритами короткое замыкание. Также было показано, что содержащие алюминий электронные выпрямляющие интерфазы между твердотельным электролитом и литий-металлическим анодом эффективны в предотвращении роста дендритов. [97]

Механическая неисправность

Распространенным механизмом отказа твердотельных аккумуляторов является механическое повреждение из-за изменения объема [ необходимо дополнительное объяснение ] в аноде и катоде во время заряда и разряда из-за добавления и удаления ионов лития из основных структур. [98]

Катод

Катоды обычно состоят из активных катодных частиц, смешанных с частицами SSE для содействия ионной проводимости . По мере того, как батарея заряжается/разряжается, катодные частицы изменяют свой объем, как правило, на несколько процентов. [99] Это изменение объема приводит к образованию межчастичных пустот , что ухудшает контакт между катодом и частицами SSE, что приводит к значительной потере емкости из-за ограничения ионного транспорта. [98] [100] [101]

Одно из предлагаемых решений этой проблемы — воспользоваться анизотропией изменения объема в катодных частицах. Поскольку многие катодные материалы испытывают изменения объема только вдоль определенных кристаллографических направлений , если вторичные катодные частицы выращиваются вдоль кристаллографического направления, которое не сильно расширяется при заряде/разряде, то изменение объема частиц может быть минимизировано. [102] [103] Другое предлагаемое решение — смешивать различные катодные материалы, которые имеют противоположные тенденции расширения, в правильном соотношении, так что чистое изменение объема катода равно нулю. [99] Например, LiCoO 2 (LCO) и LiNi 0,9 Mn 0,05 Co 0,05 O 2 (NMC) — два известных катодных материала для литий-ионных аккумуляторов. Было показано, что LCO подвергается объемному расширению при разряде, в то время как NMC подвергается объемному сжатию при разряде. Таким образом, композитный катод из LCO и NMC при правильном соотношении может претерпевать минимальное изменение объема при разряде, поскольку сжатие NMC компенсируется расширением LCO.

Анод

В идеале твердотельная батарея должна использовать анод из чистого лития из -за его высокой энергоемкости. Однако литий претерпевает большое увеличение объема во время заряда, около 5 мкм на 1 мАч/см 2 покрытого Li. [98] Для электролитов с пористой микроструктурой это расширение приводит к увеличению давления, что может привести к ползучести металла Li через поры электролита и за пределы ячейки. [104] Металлический литий имеет относительно низкую температуру плавления 453 К и низкую энергию активации для самодиффузии 50 кДж/моль, что указывает на его высокую склонность к значительной ползучести при комнатной температуре. [105] [106] Было показано, что при комнатной температуре литий претерпевает ползучесть по степенному закону, когда температура достаточно высока относительно температуры плавления, чтобы дислокации в металле могли выходить из своей плоскости скольжения , чтобы избежать препятствий. Напряжение ползучести при ползучести по степенному закону определяется по формуле:

Где — газовая постоянная , — температура, — скорость одноосной деформации , — напряжение ползучести , а для металлического лития , , . [105]

Для использования лития в качестве анода необходимо проявлять большую осторожность, чтобы минимизировать давление в ячейке до относительно низких значений порядка его предела текучести 0,8 МПа. [107] Нормальное рабочее давление в ячейке для анода из лития составляет от 1 до 7 МПа. Некоторые возможные стратегии минимизации напряжения в литиевом металле заключаются в использовании ячеек с пружинами выбранной жесткости пружины или контролируемого повышения давления во всей ячейке. [98] Другая стратегия может заключаться в том, чтобы пожертвовать некоторой энергоемкостью и использовать анод из сплава лития , который обычно имеет более высокую температуру плавления, чем чистый литий, что приводит к меньшей склонности к ползучести. [108] [109] [110] Хотя эти сплавы действительно довольно сильно расширяются при литировании, часто в большей степени, чем металлический литий, они также обладают улучшенными механическими свойствами, что позволяет им работать при давлении около 50 МПа. [111] [112] Это более высокое давление в ячейке также имеет дополнительное преимущество, возможно, смягчая образование пустот в катоде. [98]

Преимущества

Технология твердотельных аккумуляторов, как полагают [ кем? ], обеспечивает более высокую плотность энергии (в 2,5 раза). [113]

Твердотельные батареи имеют превосходную теоретическую [ сомнительную – обсудить ] плотность энергии.

Литий-ионный аккумулятор: Катод: кобальтат лития ⇄ Анод: графит → Плотность энергии 370 Вт·ч/кг (тип кобальта: теоретическое предельное значение)

Твердотельный аккумулятор: Катод: Оксид/Сульфид ⇄ Анод: Металлический литий → Плотность энергии 1440 Вт·ч/кг (сульфидный тип: теоретическое предельное значение)

Они могут избегать [ сомнительного – обсудить ] использования опасных или токсичных материалов, содержащихся в коммерческих батареях, таких как органические электролиты. [114]

Поскольку большинство жидких электролитов воспламеняемы, а твердые электролиты не воспламеняемы, твердотельные батареи, как полагают [ кем? ], имеют меньший риск возгорания. Требуется меньше систем безопасности, что еще больше увеличивает плотность энергии на уровне модуля или ячейки. [2] [114] Недавние исследования показывают, что тепловыделение внутри составляет всего ~20-30% от обычных батарей с жидким электролитом при тепловом разгоне. [115]

Технология твердотельных аккумуляторов, как полагают [ сомнительно – обсудить ] , обеспечивает более быструю зарядку. [116] [117] Также возможны более высокое напряжение и более длительный срок службы. [ сомнительно – обсудить ] [114] [83]

Тонкопленочные твердотельные батареи

Фон

Самые ранние тонкопленочные твердотельные батареи были найдены Кейити Канехори в 1986 году [118] , которые основаны на электролите Li. Однако в то время технология была недостаточной для питания более крупных электронных устройств, поэтому она не была полностью разработана. В последние годы было проведено много исследований в этой области. Гарбайо продемонстрировал, что «полиаморфизм» существует помимо кристаллических состояний для тонкопленочных твердотельных батарей Li-граната в 2018 году [119] Моран продемонстрировал, что ample может производить керамические пленки с желаемым диапазоном размеров 1–20 мкм в 2021 году [120]

Структура

Материалы для анодов: Li предпочтителен из-за его свойств хранения, сплавы Al, Si и Sn также подходят в качестве анодов.

Материалы катода: требуют легкого веса, хорошей циклической емкости и высокой плотности энергии. Обычно включают LiCoO2, LiFePO4, TiS2, V2O5 и LiMnO2. [121]

Методы приготовления

Некоторые методы перечислены ниже. [122]

Разработка тонкопленочной системы

Преимущества

Вызовы

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Вандервелл, Энди (26 сентября 2017 г.). «Что такое твердотельная батарея? Объяснение преимуществ». Wired UK . Получено 7 января 2018 г.
  2. ^ ab Reisch, Marc S. (20 ноября 2017 г.). «Твердотельные батареи выходят на рынок». C&EN Global Enterprise . 95 (46): 19–21. doi :10.1021/cen-09546-bus.
  3. ^ abc "セラミックパッケージ型全固体電池・評価用電源モジュールキット｜二次電池｜Biz.maxell -クセル». Biz.maxell - マクセル.
  4. ^ "コイン形全固体電池・バイポーラ型全固体電池｜二次電池｜Biz.maxell - マクセル" . Biz.maxell - マクセル.
  5. ^ Ping, Weiwei; Yang, Chunpeng; Bao, Yinhua; Wang, Chengwei; Xie, Hua; Hitz, Emily; Cheng, Jian; Li, Teng; Hu, Liangbing (сентябрь 2019 г.). «Кремниевый анод для твердотельных батарей на основе граната: интерфейсы и наномеханика». Energy Storage Materials . 21 : 246–252. Bibcode : 2019EneSM..21..246P. doi : 10.1016/j.ensm.2019.06.024. S2CID  198825492.
  6. ^ Weppner, Werner (сентябрь 2003 г.). «Инженерия твердотельных ионных устройств». International Journal of Ionics . 9 (5–6): 444–464. doi :10.1007/BF02376599. S2CID  108702066. Твердотельные ионные устройства, такие как высокопроизводительные батареи...
  7. ^ Funke K (август 2013 г.). «Ионика твердого тела: от Майкла Фарадея до зеленой энергии — европейское измерение». Наука и технология передовых материалов . 14 (4): 043502. Bibcode : 2013STAdM..14d3502F. doi : 10.1088/1468-6996/14/4/043502. PMC 5090311. PMID  27877585 . 
  8. ^ Ли, Сихи (2012). «Химия и конструкция твердотельных ячеек» (PDF) . АРПА-Э . Проверено 7 января 2018 г.
  9. ^ Owens, Boone B.; Munshi, MZA (январь 1987 г.). "История твердотельных батарей" (PDF) . Defense Technical Information Center . Corrosion Research Center, University of Minnesota . Bibcode :1987umn..rept.....O. Архивировано (PDF) из оригинала 24 февраля 2020 г. . Получено 7 января 2018 г. .
  10. ^ abcde Whittingham, M. Stanley (2021-02-01). «Твердотельная ионика: ключ к открытию и господству литиевых батарей: некоторые выводы из β-оксида алюминия и дисульфида титана». MRS Bulletin . 46 (2): 168–173. Bibcode : 2021MRSBu..46..168W. doi : 10.1557/s43577-021-00034-2. ISSN  1938-1425. OSTI  1848581. S2CID  233939199.
  11. ^ Yung-Fang Yu Yao; Kummer, JT (1967-09-01). «Свойства ионного обмена и скорости ионной диффузии в бета-оксиде алюминия». Журнал неорганической и ядерной химии . 29 (9): 2453–2475. doi :10.1016/0022-1902(67)80301-4. ISSN  0022-1902.
  12. ^ Уиттингем, М.С. «Бета-оксид алюминия — прелюдия к революции в электрохимии твердого тела». Специальные публикации NBS . 13 (364): 139–154.
  13. ^ "Новые аккумуляторные батареи — мощный удар - USATODAY.com". usatoday30.usatoday.com . Получено 2022-12-08 .
  14. ^ abcd Джонс, Кевин С.; Рудавски, Николас Г.; Оладеджи, Исайя; Питтс, Роланд; Фокс, Ричард. «Состояние твердотельных батарей» (PDF) . Бюллетень Американского керамического общества . 91 (2).
  15. ^ ЛаКост, Джед Д.; Закутаев, Андрей; Фэй, Линг (2021-02-25). «Обзор оксинитрида фосфора лития». Журнал физической химии C. 125 ( 7): 3651–3667. doi :10.1021/acs.jpcc.0c10001. ISSN  1932-7447. OSTI  1772959. S2CID  234022942.
  16. ^ Лян, Сяопин; Тан, Фэйху; Вэй, Фэн; Ду, Цзюнь (2019-02-23). ​​"Прогресс исследований твердотельных тонкопленочных литиевых батарей". Серия конференций IOP: Науки о Земле и окружающей среде . 218 (1): 012138. Bibcode : 2019E&ES..218a2138L. doi : 10.1088/1755-1315/218/1/012138 . ISSN  1755-1315. S2CID  139860728.
  17. ^ Камая, Нориаки; Хомма, Кенджи; Ямакава, Юичиро; Хираяма, Масааки; Канно, Рёдзи; Ёнемура, Масао; Камияма, Такаши; Като, Юки; Хама, Сигенори; Кавамото, Кодзи; Мицуи, Акио (июль 2011 г.). «Литиевый суперионный проводник». Природные материалы . 10 (9): 682–686. Бибкод : 2011NatMa..10..682K. дои : 10.1038/nmat3066. ISSN  1476-4660. ПМИД  21804556.
  18. ^ Граймель, Ганс (27 января 2014 г.). «Toyota готовит твердотельные батареи для 20-х годов». Automotive News . Получено 7 января 2018 г.
  19. ^ ab "Твердотельная батарея, разработанная в Университете Колорадо в Боулдере, может удвоить запас хода электромобилей". Университет Колорадо в Боулдере . 18 сентября 2013 г. Архивировано из оригинала 7 ноября 2013 г. Получено 7 января 2018 г.
  20. ^ ab "Изобретатель литий-ионных аккумуляторов представляет новую технологию для быстрой зарядки негорючих аккумуляторов". Техасский университет в Остине . 28 февраля 2017 г. Получено 7 января 2018 г.
  21. ^ Бакленд, Кевин; Сагиике, Хидеки (13 декабря 2017 г.). «Toyota укрепляет связи с батареями Panasonic в гонке за электромобилями». Bloomberg Technology . Получено 7 января 2018 г.
  22. ^ Бейкер, Дэвид Р. (3 апреля 2019 г.). «Почему литий-ионная технология готова доминировать в будущем хранения энергии». www.renewableenergyworld.com . Bloomberg . Получено 7 апреля 2019 г. .
  23. ^ "Solid Power и BMW объединяются для разработки аккумуляторов для электромобилей следующего поколения". Reuters . 18 декабря 2017 г. Получено 7 января 2018 г.
  24. ^ Крок, Эндрю (21 декабря 2017 г.). «Honda прыгает на подножку твердотельного аккумулятора». Roadshow от CNET . Получено 7 января 2018 г.
  25. ^ Ламберт, Фред (6 апреля 2017 г.). «Hyundai, как сообщается, начала пилотное производство твердотельных аккумуляторов следующего поколения для электромобилей». Electrek . Получено 7 января 2018 г.
  26. ^ "Honda и Nissan заявили, что разрабатывают твердотельные батареи следующего поколения для электромобилей". The Japan Times . Kyodo News . 21 декабря 2017 г. Получено 7 января 2018 г.
  27. ^ Дэниш, Пол (2018-09-12). «Прямо из CU (и Луисвилля): батарея, которая может изменить мир». Boulder Weekly . Получено 2020-02-12 .
  28. ^ "Solid Power привлекает 20 миллионов долларов на создание полностью твердотельных батарей — Quartz". qz.com . 10 сентября 2018 г. . Получено 10 сентября 2018 г. .
  29. ^ "Samsung Venture, Hyundai инвестируют в производителя аккумуляторов". Bloomberg.com . 10 сентября 2018 г. Получено 11 сентября 2018 г.
  30. ^ Ламберт, Фред (20 ноября 2018 г.). «Китай начинает производство твердотельных аккумуляторов, увеличивая плотность энергии». Electrek .
  31. ^ Уэйланд, Майкл (03.09.2020). «Поставщик аккумуляторов для автомобилей, поддерживаемый Биллом Гейтсом, станет публичным через сделку SPAC». CNBC . Получено 07.01.2021 .
  32. ^ Манчестер, Бетт (30 ноября 2020 г.). «QuantumScape успешно выходит на биржу». electrive.com .
  33. ^ Doll, Scooter (16 января 2024 г.). «QuantumScape представляет бьющееся сердце своей технологии твердотельных аккумуляторов: ячейку FlexFrame». Electrek.co .
  34. ^ QuantumScape (16 января 2024 г.), «Представляем FlexFrame, фирменный формат ячеек QuantumScape (видео)», Youtube , получено 2024-02-09
  35. ^ Фукутоми, Шунтаро. «Murata начнет массовое производство твердотельных аккумуляторов осенью». Nikkei Asia . Получено 19 июля 2021 г.
  36. ^ «Murata разрабатывает твердотельную батарею для носимых устройств». 29 июля 2021 г.
  37. ^ "Категория: 18650/20700/21700 Аккумуляторные батареи". 29 июля 2021 г.
  38. ↑ Праншу Верма (18 мая 2022 г.). «Внутри гонки за автомобильный аккумулятор, который быстро заряжается — и не загорается». The Washington Post .
  39. ^ "Toyota Outlines Solid-State Battery Tech". 8 сентября 2021 г. Получено 12 ноября 2021 г.
  40. ^ Дегучи, Хаябуса (27 февраля 2022 г.). "ノースロップ・グラマン「シグナス補給船」打ち上げ成功 日本の実験機器・超小型衛星も搭載». сораэ 宇宙へのポータルサイト(на японском языке) . Проверено 22 ноября 2023 г.
  41. ^ "Тайваньский производитель аккумуляторов ProLogium подписывает инвестиционное соглашение с Mercedes-Benz". Reuters. 27 января 2022 г. Получено 1 ноября 2022 г.
  42. ^ "Swiss Clean Battery планирует гигафабрику мощностью 7,6 ГВт·ч". Renewables Now . Получено 27.04.2023 .
  43. ^ «Svolt Energy разрабатывает твердотельные аккумуляторные элементы, которые позволят транспортным средствам достигать запаса хода более 1000 км». 19 июля 2022 г.
  44. ^ "会社四季報オンライン｜株式投資・銘柄研究のバイブル" . shikiho.toyokeizai.net . Проверено 28 октября 2023 г.
  45. ^ ab 日経クロステック(xTECH) (3 октября 2023 г.). «パナソニックHDが全固体電池、3分で充電可能».日経クロステック（xTECH） (на японском языке) . Проверено 1 декабря 2023 г.
  46. ^ "Toyota подписывает сделку о массовом производстве твердотельных аккумуляторов для электромобилей с запасом хода в 932 мили". PCMAG . Получено 24.10.2023 .
  47. ^ ab Weiss, CC (2024-06-13). "Твердотельная батарея от американского производителя ячеек достигла нового рубежа". New Atlas . Получено 2024-06-13 .
  48. Ссылкиく布石(東洋経済オンライン)» . Yahoo!ファイナンス(на японском языке) . Проверено 5 декабря 2023 г.
  49. ^ Джонсон, Питер (2 января 2024 г.). «Hyundai патентует полностью твердотельную аккумуляторную систему электромобиля в США». electrek.co . Получено 8 февраля 2024 г.
  50. ^ Флаэрти, Ник (2024-01-06). "VW проверяет производительность литий-металлических твердотельных аккумуляторов". eeNews Europe . Получено 2024-01-08 .
  51. ^ Чандлер, Дэвид Л. (12 июля 2017 г.). «Исследование предлагает путь к улучшению перезаряжаемых литиевых батарей». Массачусетский технологический институт . Исследователи пытались обойти эти проблемы, используя электролит, изготовленный из твердых материалов, таких как некоторые виды керамики.
  52. ^ Чандлер, Дэвид Л. (2 февраля 2017 г.). «К полностью твердым литиевым батареям». Массачусетский технологический институт . Исследователи изучают механику сульфидов лития, которые показывают перспективы в качестве твердых электролитов.
  53. ^ Ван, Юйчэнь; Акин, Мерт; Цяо, Сяояо; Янь, Чживэй; Чжоу, Сянъян (сентябрь 2021 г.). «Значительно повышенная плотность энергии полностью твердотельной перезаряжаемой батареи, работающей в условиях высокой влажности». Международный журнал энергетических исследований . 45 (11): 16794–16805. Bibcode : 2021IJER...4516794W. doi : 10.1002/er.6928 . S2CID  236256757.
  54. ^ Акин, Мерт; Ван, Юйчэнь; Цяо, Сяояо; Янь, Чживэй; Чжоу, Сянъян (сентябрь 2020 г.). «Влияние относительной влажности на кинетику реакции в твердотельной батарее на основе рубидия и серебра иодида». Electrochimica Acta . 355 : 136779. doi :10.1016/j.electacta.2020.136779. S2CID  225553692.
  55. ^ Чен, Русонг; Нолан, Аделаида М.; Лу, Цзязе; Ван, Цзюньян; Ю, Сицянь; Мо, Ифэй; Чен, Лицюань; Хуан, Сюэцзе; Ли, Хун (апрель 2020 г.). «Термическая стабильность литиевых твердых электролитов с металлическим литием». Джоуль . 4 (4): 812–821. Бибкод : 2020Джоуль...4..812C. дои : 10.1016/j.joule.2020.03.012 . S2CID  218672049.
  56. ^ Ван, Кай; Рен, Цинъюн; Гу, Чжэньци; Дуань, Чаомин; Ван, Цзиньчжу; Чжу, Фэн; Фу, Юаньюань; Хао, Цзипэн; Чжу, Цзиньфэн; Он, Лунхуа; Ван, Чин-Вэй; Лу, Иньин; Ма, Цзе; Ма, Ченг (декабрь 2021 г.). «Экономичный и устойчивый к влажности твердый хлоридный электролит для литиевых батарей». Природные коммуникации . 12 (1): 4410. Бибкод : 2021NatCo..12.4410W. дои : 10.1038/s41467-021-24697-2. ПМЦ 8292426 . ПМИД  34285207. 
  57. ^ Ли, Сяона; Лян, Цзяньвэнь; Ло, Цзин; Норузи Банис, Мохаммед; Ван, Чанхун; Ли, Вэйхан; Дэн, Сиксу; Ю, Чжуан; Чжао, Фейпэн; Ху, Юнфэн; Шам, Цун-Конг; Чжан, Ли; Чжао, Шанцянь; Лу, Шиган; Хуан, Хуан; Ли, Жуйин; Адэр, Киган Р.; Сунь, Сюэлян (2019). «Аэростабильный электролит Li 3 InCl 6 с совместимостью при высоком напряжении для полностью твердотельных аккумуляторов». Энергетика и экология . 12 (9): 2665–2671. дои : 10.1039/C9EE02311A. S2CID  202881108.
  58. ^ Schlem, Roman; Muy, Sokseiha; Prinz, Nils; Banik, Ananya; Shao-Horn, Yang; Zobel, Mirijam; Zeier, Wolfgang G. (февраль 2020 г.). «Механохимический синтез: инструмент для настройки беспорядка катионных участков и свойств ионного транспорта суперионных проводников Li 3 MCl 6 (M = Y, Er)». Advanced Energy Materials . 10 (6): 1903719. Bibcode :2020AdEnM..1003719S. doi : 10.1002/aenm.201903719 . hdl : 1721.1/128746 . S2CID  213539629.
  59. ^ Чжоу, Лайдонг; Квок, Чун Юэнь; Шьямсундер, Абхинандан; Чжан, Цян; У, Сяохан; Назар, Линда Ф. (2020). «Новый галошпинельный суперионный проводник для высоковольтных твердотельных литиевых батарей». Энергетика и наука об окружающей среде . 13 (7): 2056–2063. doi :10.1039/D0EE01017K. OSTI  1657953. S2CID  225614485.
  60. ^ abc Такада, Кадзунори (февраль 2013 г.). «Прогресс и перспективы твердотельных литиевых батарей». Акта Материалия . 61 (3): 759–770. Бибкод : 2013AcMat..61..759T. doi :10.1016/j.actamat.2012.10.034.
  61. ^ Гун, Юньхуэй; Фу, Кунь; Сюй, Шаомао; Дай, Цзяци; Хаманн, Таннер Р.; Чжан, Лэй; Хитц, Грегори Т.; Фу, Чжэчжэнь; Ма, Чжаохуэй; МакОуэн, Деннис В.; Хан, Сяоган; Ху, Лянбин; Ваксман, Эрик Д. (июль 2018 г.). «Литий-ионный проводящий керамический текстиль: новая архитектура для гибких твердотельных литий-металлических батарей». Materials Today . 21 (6): 594–601. doi : 10.1016/j.mattod.2018.01.001 . OSTI  1538573. S2CID  139149288.
  62. ^ Damen, L.; Hassoun, J.; Mastragostino, M.; Scrosati, B. (октябрь 2010 г.). «Твердотельная перезаряжаемая полимерная батарея Li/LiFePO4 для применения в электромобилях». Journal of Power Sources . 195 (19): 6902–6904. Bibcode : 2010JPS...195.6902D. doi : 10.1016/j.jpowsour.2010.03.089.
  63. ^ Тан, Даррен Х.С.; Чен, Ю-Тин; Ян, Хеди; Бао, Вуригумула; Шринараянан, Бхагат; Ду, Жан-Мари; Ли, Вэйкан; Лу, Бингю; Хам, Со-Ён; Саяхпур, Бахарак; Шарф, Джонатан; Ву, Эрик А.; Дейшер, Грейсон; Хан, Хе Ын; Ха, Хо Джин; Чон, Хери; Ли, Чон Бом; Чен, Чжэн; Мэн, Ин Ширли (24 сентября 2021 г.). «Безуглеродные кремниевые аноды с высокой нагрузкой на основе сульфидных твердых электролитов». Наука . 373 (6562): 1494–1499. Бибкод : 2021Sci...373.1494T. doi : 10.1126/science.abg7217. PMID  34554780. S2CID  232147704.
  64. ^ Танибата, Наото; Такимото, Шута; Накано, Коки; Такеда, Хаями; Накаяма, Масанобу; Суми, Хирофуми (2020-08-03). «Метастабильный хлоридный твердый электролит с высокой формуемостью для перезаряжаемых твердотельных литий-металлических батарей». ACS Materials Letters . 2 (8): 880–886. doi :10.1021/acsmaterialslett.0c00127. ISSN  2639-4979. S2CID  225759726.
  65. ^ Чжоу, Лайдонг; Цзо, Тонг-Тонг; Квок, Чун Юэнь; Ким, Се Янг; Ассуд, Абдельджалил; Чжан, Цян; Янек, Юрген; Назар, Линда Ф. (январь 2022 г.). «Высокая поверхностная емкость, длительный срок службы 4 В керамических твердотельных литий-ионных аккумуляторов, реализованных с использованием хлоридных твердых электролитов». Nature Energy . 7 (1): 83–93. Bibcode :2022NatEn...7...83Z. doi :10.1038/s41560-021-00952-0. ISSN  2058-7546. OSTI  1869086. S2CID  245654129.
  66. ^ Ван, Кай; Рен, Цинъюн; Гу, Чжэньци; Дуань, Чаомин; Ван, Цзиньчжу; Чжу, Фэн; Фу, Юаньюань; Хао, Цзипэн; Чжу, Цзиньфэн; Он, Лунхуа; Ван, Чин-Вэй; Лу, Иньин; Ма, Цзе; Ма, Ченг (20 июля 2021 г.). «Экономичный и устойчивый к влажности твердый хлоридный электролит для литиевых батарей». Природные коммуникации . 12 (1): 4410. Бибкод : 2021NatCo..12.4410W. дои : 10.1038/s41467-021-24697-2. ISSN  2041-1723. ПМЦ 8292426 . ПМИД  34285207. 
  67. ^ abc Carlon, Kris (24 октября 2016 г.). «Технология аккумуляторов, которая может положить конец возгораниям аккумуляторов». Android Authority . Получено 7 января 2018 г. .
  68. ^ «Будут ли твердотельные батареи обеспечивать нас всех энергией?». The Economist . 16 октября 2017 г.
  69. ^ "Батареи для гибридных и подключаемых электромобилей". Центр данных по альтернативному топливу . Получено 7 января 2018 г.
  70. ^ "Хранение энергии". Национальная лаборатория возобновляемой энергии . Получено 7 января 2018 г. Многие автопроизводители приняли литий-ионные (Li-ion) батареи в качестве предпочтительного варианта хранения энергии EDV, способного обеспечить требуемую энергию и плотность мощности в относительно небольшом и легком корпусе.
  71. ^ "Технология полностью твердотельных аккумуляторов". Honda . Август 2022. Получено 9 ноября 2022 .
  72. ^ «Высококачественная технология аккумуляторов, которая значительно повышает производительность электромобилей». Nissan . Получено 19 июня 2023 г.
  73. ^ Юрий Кагеяма (13 июня 2023 г.). «Японская Toyota объявляет об инициативе по созданию твердотельных аккумуляторов в рамках плана по созданию электромобилей». AP News . Получено 17 июня 2023 г.
  74. ^ "Toyota представляет новую технологию, которая изменит будущее автомобилей" (пресс-релиз). Toyota . 13 июня 2023 г. . Получено 17 июня 2023 г. .
  75. ^ Генри Браун (4 мая 2021 г.). «Murata скоро начнет массовое производство твердотельных батарей». gadget tendency . Получено 12 ноября 2021 г.
  76. ^ "Полностью твердотельные литий-ионные аккумуляторы". Hitachi Zosen Corporation . Получено 17 ноября 2021 г.
  77. ^ Рётаро Сато (4 марта 2021 г.). «В Японии разработана твердотельная батарея с самой высокой емкостью в мире». Nikkei Asia . Получено 22 февраля 2023 г.
  78. ^ "JAXA и Hitachi Zosen совместно подтверждают возможность зарядки/разрядки полностью твердотельных литий-ионных аккумуляторов в космосе, впервые в мире". Японское агентство аэрокосмических исследований. 5 августа 2022 г. Получено 22 февраля 2023 г.
  79. ^ «Твердотельные батареи прибыли!». 5 ноября 2022 г.
  80. ^ ВСЕ новые электростанции на выставке CES 2023!? - EcoFlow, Bluetti, Jackery, Zendure, Yoshino, UGreen!, 13 января 2023 г. , получено 23 сентября 2023 г.
  81. ^ "Твердотельная технология". Yoshino Power . Получено 2023-09-23 .
  82. ^ "Переносные электростанции Yoshino". Yoshino Power . Получено 2023-09-23 .
  83. ^ abc Jones, Kevin S. "State of Solid-State Batteries" (PDF) . Получено 7 января 2018 г.
  84. ^ "Новый гибридный электролит для твердотельных литиевых батарей". 21 декабря 2015 г. Получено 7 января 2018 г.
  85. Ссылки献» [Достигнуто при разработке «Гибкой твердотельной» батареи: Большая емкость за счет нового материала]. Киотский университет (на японском языке). 7 ноября 2022 г. Проверено 9 ноября 2022 г.
  86. ^ Кимура, Такуя; Инаока, Такеаки; Идзава, Рё; Накано, Такуми; Хотехама, Чие; Сакуда, Ацуши; Тацумисаго, Масахиро; Хаяши, Акитоши (20 июня 2023 г.). «Стабилизация высокотемпературного α-Li3PS4 путем быстрого нагревания стекла». Журнал Американского химического общества . 145 (26): 14466–14474. doi :10.1021/jacs.3c03827. PMID  37340711.
  87. ^ Лу, Шуайфэн; Ю, Чжэньцзян; Лю, Цинсонг; Ван, Хань; Чэнь, Мин; Ван, Цзяцзюнь (сентябрь 2020 г.). «Многомасштабная визуализация интерфейсов твердотельных аккумуляторов: от атомного масштаба до макроскопического». Chem . 6 (9): 2199–2218. Bibcode : 2020Chem....6.2199L. doi : 10.1016/j.chempr.2020.06.030 . S2CID  225406505.
  88. ^ Ричардс, Уильям Д.; Миара, Линкольн Дж.; Ван, Ян; Ким, Дже Чул; Седер, Гербранд (12 января 2016 г.). «Стабильность интерфейса в твердотельных батареях». Химия материалов . 28 (1): 266–273. doi :10.1021/acs.chemmater.5b04082. hdl : 1721.1/101875 . S2CID  14077506.
  89. ^ Ван, Сюй; Цзэн, Вэй; Хун, Лян; Сюй, Вэньвэнь; Ян, Хаокай; Ван, Фань; Дуань, Хуэйгао; Тан, Мин; Цзян, Ханьцин (март 2018 г.). «Механизм роста литиевых дендритов под действием напряжения и смягчение дендритов путем электроосаждения на мягких подложках». Nature Energy . 3 (3): 227–235. Bibcode :2018NatEn...3..227W. doi :10.1038/s41560-018-0104-5. S2CID  139981784.
  90. ^ Cheng, Xin-Bing; Zhang (17 ноября 2015 г.). «Обзор твердоэлектролитных интерфаз на литий-металлическом аноде». Advanced Science . 3 (3): 1500213. doi :10.1002/advs.201500213. PMC 5063117 . PMID  27774393. 
  91. ^ Армстронг, RD; Дикинсон, T.; Тернер, J. (1974). «Распад керамического электролита на основе бета-оксида алюминия». Electrochimica Acta . 19 (5): 187–192. doi :10.1016/0013-4686(74)85065-6.
  92. ^ De Jonghe, Lutgard C.; Feldman, Leslie; Beuchele, Andrew (1981-03-01). «Медленная деградация и электронная проводимость в натрий/бета-алюминиевых сплавах». Journal of Materials Science . 16 (3): 780–786. Bibcode : 1981JMatS..16..780J. doi : 10.1007/BF02402796. ISSN  1573-4803. OSTI  1070020. S2CID  189834121.
  93. ^ E. Athanasiou, Christos; Fincher, Cole; Gilgenbach, Colin; Gao, Huajian; Carter, Craig W.; Chian, Yet M.; Sheldon, Brian (январь 2024 г.). «Operando-измерения дендритно-индуцированных напряжений в керамических электролитах с использованием фотоупругости». Matter . 7 : 95–106. doi :10.1016/j.matt.2023.10.014. S2CID  253694787.
  94. ^ Типпенс, Джаред; Майерс, Джон К.; Афшар, Арман; Льюис, Джон А.; Кортес, Франсиско Хавьер Кинтеро; Цяо, Хайпэн; Маркезе, Томас С.; Ди Лео, Клаудио В.; Салдана, Кристофер; Макдауэлл, Мэтью Т. (2019-06-14). «Визуализация химико-механической деградации электролита твердотельной батареи». ACS Energy Letters . 4 (6): 1475–1483. doi :10.1021/acsenergylett.9b00816. ISSN  2380-8195. S2CID  195582019.
  95. ^ Ван, Майкл; Вольфенстайн, Джеффри Б.; Сакамото, Джефф (2019-02-10). «Температурно-зависимый баланс потока интерфейса Li/Li7La3Zr2O12». Electrochimica Acta . 296 : 842–847. doi : 10.1016/j.electacta.2018.11.034 . ISSN  0013-4686. S2CID  106296290.
  96. ^ D. Fincher, Cole; Athanasiou, Christos E.; Gilgenbach, Colin; Wang, Michael; Sheldon, Brian W.; Carter, W. Craig; Chiang, Yet-Ming (ноябрь 2022 г.). «Управление распространением дендритов в твердотельных батареях с помощью искусственного стресса». Joule . 6 (11): 2542–4351. Bibcode :2022Joule...6.2794F. doi : 10.1016/j.joule.2022.10.011 . S2CID  253694787.
  97. ^ «Новый «умный слой» может повысить долговечность и эффективность твердотельных батарей». Университет Суррея . Получено 16 апреля 2023 г.
  98. ^ abcde Дейшер, Грейсон; Ридли, Филлип; Хэм, Со-Ён; Ду, Жан-Мари; Чен, Ю-Тин; Ву, Эрик А.; Тан, Даррен Х.С.; Кронк, Эшли; Джанг, Джихён; Мэн, Ин Ширли (2022-05-01). "Транспортные и механические аспекты твердотельных литиевых батарей". Materials Today Physics . 24 : 100679. Bibcode : 2022MTPhy..2400679D. doi : 10.1016/j.mtphys.2022.100679 . ISSN  2542-5293. S2CID  247971631.
  99. ^ ab Koerver, Raimund; Zhang, Wenbo; de Biasi, Lea; Schweidler, Simon; Kondrakov, Aleksandr O.; Kolling, Stefan; Brezesinski, Torsten; Hartmann, Pascal; Zeier, Wolfgang G.; Janek, Jürgen (2018). «Химико-механическое расширение материалов литиевых электродов – на пути к механически оптимизированным полностью твердотельным батареям». Energy & Environmental Science . 11 (8): 2142–2158. doi :10.1039/C8EE00907D. ISSN  1754-5692.
  100. ^ Koerver, Raimund; Aygün, Isabel; Leichtweiß, Thomas; Dietrich, Christian; Zhang, Wenbo; Binder, Jan O.; Hartmann, Pascal; Zeier, Wolfgang G.; Janek, Jürgen (2017-07-11). «Падение емкости в твердотельных батареях: образование интерфазы и химико-механические процессы в катодах из слоистого оксида с высоким содержанием никеля и твердых электролитах на основе тиофосфата лития». Химия материалов . 29 (13): 5574–5582. doi :10.1021/acs.chemmater.7b00931. ISSN  0897-4756.
  101. ^ Ши, Тан; Чжан, Я-Цянь; Ту, Цинсонг; Ван, Юхао; Скотт, MC; Седер, Гербранд (2020). «Характеристика механической деградации в катоде полностью твердотельного аккумулятора». Журнал химии материалов A. 8 ( 34): 17399–17404. doi : 10.1039/D0TA06985J . ISSN  2050-7488. S2CID  225222096.
  102. ^ Чжоу, Юн-Нин; Ма, Джун; Ху, Эньюань; Ю, Сицянь; Гу, Линь; Нам, Кён Ван; Чен, Лицюань; Ван, Чжаосян; Ян, Сяо-Цин (18 ноября 2014 г.). «Настройка дыхания элементарных ячеек, индуцированного зарядом-разрядом, в катодных материалах со слоистой структурой для литий-ионных батарей». Природные коммуникации . 5 (1): 5381. Бибкод : 2014NatCo...5.5381Z. дои : 10.1038/ncomms6381 . ISSN  2041-1723. ПМИД  25451540.
  103. ^ Ким, Ун-Хюк; Рю, Хун-Хи; Ким, Джэ-Хён; Мюкке, Роберт; Кагхазчи, Пайам; Юн, Чонг С.; Сан, Ян-Кук (апрель 2019 г.). «Управляемый микроструктурой катодный материал с высоким содержанием никеля с помощью микромасштабного композиционного разделения для электромобилей следующего поколения». Advanced Energy Materials . 9 (15): 1803902. Bibcode : 2019AdEnM...903902K. doi : 10.1002/aenm.201803902. ISSN  1614-6832. S2CID  104475168.
  104. ^ Ду, Жан-Мари; Нгуен, Хан; Тан, Даррен ХС; Банерджи, Абхик; Ван, Сюэфэн; Ву, Эрик А.; Джо, Чихо; Ян, Хеди; Мэн, Ин Ширли (январь 2020 г.). «Рассмотрение давления в стеке для твердотельных литий-металлических батарей при комнатной температуре». Advanced Energy Materials . 10 (1): 1903253. arXiv : 1910.02118 . Bibcode :2020AdEnM..1003253D. doi :10.1002/aenm.201903253. ISSN  1614-6832. S2CID  203838056.
  105. ^ ab LePage, William S.; Chen, Yuxin; Kazyak, Eric; Chen, Kuan-Hung; Sanchez, Adrian J.; Poli, Andrea; Arruda, Ellen M.; Thouless, MD; Dasgupta, Neil P. (2019). «Механика лития: роль скорости деформации и температуры и ее последствия для литий-металлических батарей». Журнал электрохимического общества . 166 (2): A89–A97. Bibcode : 2019JElS..166A..89L. doi : 10.1149/2.0221902jes . ISSN  0013-4651. S2CID  104319914.
  106. ^ Messer, R.; Noack, F. (1975-02-01). "Ядерная магнитная релаксация путем самодиффузии в твердом литии: зависимость от частоты T1". Applied Physics . 6 (1): 79–88. Bibcode :1975ApPhy...6...79M. doi :10.1007/BF00883553. ISSN  1432-0630. S2CID  94108174.
  107. ^ Масиас, Альваро; Фельтен, Нандо; Гарсия-Мендес, Регина; Вольфенстайн, Джефф; Сакамото, Джефф (февраль 2019 г.). «Упругие, пластические и ползучие механические свойства металлического лития». Журнал материаловедения . 54 (3): 2585–2600. Bibcode : 2019JMatS..54.2585M. doi : 10.1007/s10853-018-2971-3. ISSN  0022-2461. S2CID  139507295.
  108. ^ Okamoto, H. (февраль 2009 г.). «Li-Si (Lithium-Silicon)». Журнал фазовых равновесий и диффузии . 30 (1): 118–119. Bibcode :2009JPED...30..118O. doi :10.1007/s11669-008-9431-8. ISSN  1547-7037. S2CID  96833267.
  109. ^ Предель, Б. (1997), Маделунг, О. (редактор), «Li-Sb (литий-сурьма)», Li-Mg – Nd-Zr , Ландольт-Бёрнштейн - Физическая химия группы IV, том. H, Берлин/Гейдельберг: Springer-Verlag, стр. 1–2, номер документа : 10.1007/10522884_1924, ISBN. 978-3-540-61433-3, получено 2022-05-19
  110. ^ Шерби, Олег Д.; Берк, Питер М. (январь 1968 г.). «Механическое поведение кристаллических твердых тел при повышенной температуре». Progress in Materials Science . 13 : 323–390. doi :10.1016/0079-6425(68)90024-8.
  111. ^ Tan, Darren HS; Chen, Yu-Ting; Yang, Hedi; Bao, Wurigumula; Sreenarayanan, Bhagath; Doux, Jean-Marie; Li, Weikang; Lu, Bingyu; Ham, So-Yeon; Sayahpour, Baharak; Scharf, Jonathan (24.09.2021). «Безуглеродные высоконагруженные кремниевые аноды, обеспечиваемые сульфидными твердыми электролитами». Science . 373 (6562): 1494–1499. Bibcode :2021Sci...373.1494T. doi :10.1126/science.abg7217. ISSN  0036-8075. PMID  34554780. S2CID  232147704.
  112. ^ Luo, Shuting; Wang, Zhenyu; Li, Xuelei; Liu, Xinyu; Wang, Haidong; Ma, Weigang; Zhang, Lianqi; Zhu, Lingyun; Zhang, Xing (декабрь 2021 г.). «Рост литий-индиевых дендритов в твердотельных литиевых батареях с сульфидными электролитами». Nature Communications . 12 (1): 6968. Bibcode :2021NatCo..12.6968L. doi :10.1038/s41467-021-27311-7. ISSN  2041-1723. PMC 8630065 . PMID  34845223. 
  113. ^ Дадни, Нэнси Дж .; Уэст, Уильям С.; Нанда, Джагджит, ред. (2015). Справочник по твердотельным батареям . Материалы и энергия. Том 6 (2-е изд.). World Scientific Publishing Co. Pte. doi : 10.1142/9487. hdl : 10023/9281. ISBN 978-981-4651-89-9.
  114. ^ abc Bullis, Kevin (19 апреля 2011 г.). «Твердотельные батареи — высокоэнергетические ячейки для более дешевых электромобилей». MIT Technology Review . Получено 7 января 2018 г.
  115. ^ Иноуэ, Такао; Мукаи, Казухико (18 января 2017 г.). «Действительно ли безопасны полностью твердотельные литий-ионные батареи? — Проверка с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии с использованием всеобъемлющей микроячейки». ACS Applied Materials & Interfaces . 9 (2): 1507–1515. doi :10.1021/acsami.6b13224. PMID  28001045.
  116. ^ Эйзенштейн, Пол А. (1 января 2018 г.). «От мобильных телефонов до автомобилей эти батареи могут навсегда отказаться от шнура». NBC News . Получено 7 января 2018 г.
  117. ^ Лимер, Эрик (25 июля 2017 г.). «Toyota работает над электромобилями, которые заряжаются за считанные минуты, к 2022 году». Popular Mechanics . Получено 7 января 2018 г.
  118. ^ Канехори, К; Ито, Ю; Кирино, Ф; Мияучи, К; Кудо, Т. (январь 1986 г.). «Пленки дисульфида титана, полученные методом плазменного CVD». Ионика твердого тела . 18–19: 818–822. дои : 10.1016/0167-2738(86)90269-9.
  119. ^ Гарбайо, Иньиго; Струзик, Михал; Боуман, Уильям Дж.; Пфеннингер, Рето; Стилп, Эвелин; Рапп, Дженнифер Л. М. (апрель 2018 г.). «Полиаморфизм стеклянного типа в тонкопленочных твердотельных аккумуляторных проводниках на основе литий-граната». Advanced Energy Materials . 8 (12): 1702265. Bibcode :2018AdEnM...802265G. doi :10.1002/aenm.201702265. hdl : 1721.1/140483 . S2CID  103286218.
  120. ^ Балаиш, Моран; Гонсалес-Росильо, Хуан Карлос; Ким, Кун Джунг; Чжу, Юнтонг; Худ, Закари Д.; Рапп, Дженнифер Л.М. (март 2021 г.). «Обработка тонких, но надежных электролитов для твердотельных батарей». Nature Energy . 6 (3): 227–239. Bibcode :2021NatEn...6..227B. doi :10.1038/s41560-020-00759-5. S2CID  231886762.
  121. ^ Ким, Джу Гон; Сон, Бёнграк; Мукерджи, Сантану; Шупперт, Николас; Бейтс, Алекс; Квон, Осунг; Чой, Мун Джонг; Чунг, Хён Ёль; Пак, Сэм (май 2015 г.). «Обзор твердотельных батарей на основе лития и нелития». Журнал источников питания . 282 : 299–322. Bibcode : 2015JPS...282..299K. doi : 10.1016/j.jpowsour.2015.02.054.
  122. ^ Муканова, Алия; Джетыбаева, Альбина; Мёнг, Сынг-Тэк; Ким, Сунг-Су; Бакенов, Жумабай (сентябрь 2018 г.). «Мини-обзор по разработке тонкопленочных анодов на основе кремния для литий-ионных аккумуляторов». Materials Today Energy . 9 : 49–66. Bibcode : 2018MTEne...9...49M. doi : 10.1016/j.mtener.2018.05.004 . S2CID  103894996.
  123. ^ Сванн, С. (март 1988 г.). «Магнетронное распыление». Physics in Technology . 19 (2): 67–75. Bibcode : 1988PhTec..19...67S. doi : 10.1088/0305-4624/19/2/304.
  124. ^ Охара, Сигэки; Сузуки, Джунджи; Сэкине, Кёичи; Такамура, Цутому (1 июня 2003 г.). «Реакция внедрения/извлечения Li из пленки Si, нанесенной на фольгу Ni». Журнал источников энергии . 119–121: 591–596. Бибкод : 2003JPS...119..591O. дои : 10.1016/S0378-7753(03)00301-X.
  125. ^ Доган, Фуля; Санджиева, Лиурукара Д.; Хву, Шиу-Джых; Воги, Джей Ти (май 2016 г.). «Электроосажденные пенопласты меди как подложки для тонкопленочных кремниевых электродов». Ионика твердого тела . 288 : 204–206. дои : 10.1016/j.ssi.2016.02.001 .
  126. ^ Муканова, А.; Тусупбаев Р.; Сабитов А.; Бондаренко И.; Немкаева Р.; Алдамжаров Б.; Бакенов, Ж. (1 января 2017 г.). «Рост графена CVD на поверхности жидкого галлия». Материалы сегодня: Труды . 4 (3, Часть А): 4548–4554. дои :10.1016/j.matpr.2017.04.028.
  127. ^ Кулова, ТЛ; Плесков, Ю. В.; Скундин, А. М.; Теруков, Е. И.; Коньков, О. И. (1 июля 2006 г.). «Интеркаляция лития в тонкие пленки аморфного кремния: исследование электрохимического импеданса». Электрохимия . 42 (7): 708–714. doi :10.1134/S1023193506070032. S2CID  93569567.
  128. ^ Kozicki, MN; Mitkova, M.; Aberouette, JP (1 июля 2003 г.). «Наноструктура твердых электролитов и поверхностных электроотложений». Physica E: Низкоразмерные системы и наноструктуры . 19 (1): 161–166. Bibcode :2003PhyE...19..161K. doi :10.1016/S1386-9477(03)00313-8.
  129. ^ "Осаждение методом высокочастотного распыления электролитов BCZY с протонной проводимостью" (PDF) .
  130. ^ Xia, H.; Meng, YS; Lai, MO; Lu, L. (2010). «Структурные и электрохимические свойства тонкопленочных электродов LiNi[sub 0.5]Mn[sub 0.5]O[sub 2], полученных методом импульсного лазерного осаждения». Журнал электрохимического общества . 157 (3): A348. doi :10.1149/1.3294719.
  131. ^ Mai, LQ; Hu, B.; Chen, W.; Qi, YY; Lao, CS; Yang, RS; Dai, Y.; Wang, ZL (2007). «Литированные наноремни MoO3 со значительно улучшенными характеристиками для литиевых батарей». Advanced Materials . 19 (21): 3712–3716. Bibcode :2007AdM....19.3712M. doi :10.1002/adma.200700883. S2CID  33290912.
  132. ^ ab Патил, Арун; Патил, Вайшали; Вук Шин, Донг; Чой, Джи-Вон; Пайк, Донг-Су; Юн, Сок-Джин (4 августа 2008 г.). «Проблемы и трудности, с которыми сталкиваются перезаряжаемые тонкопленочные литиевые батареи». Materials Research Bulletin . 43 (8): 1913–1942. doi :10.1016/j.materresbull.2007.08.031.

Внешние ссылки