ככל שביקוש לאנרגיה גלובלית מאיץ והמעבר למקורות מתחדשים, הצורך במערכות אחסון מתקדמות בתחום האנרגיה הפך לאתגר דוחף. סוללות ליתיום-יון, בעוד דומיננטי כיום, ניצבות בפני מגבלות בסיסיות בדחיסות האנרגיה, הבטיחות והזמינות החומרית. Solid-state Lithium-sulfur (Liscale-S) נוצרו כטכנולוגיית הדור הבא המבטיחה להתגבר על מגבלות אלה על ידי שילוב של רשתות אבטחה גבוהות יותר, אשר הובילו למכוניות חשמליות יותר ויותר.

מה הם סולידריות-מדינה ליתיום-Sulfur Batteries?

סוללה ליתיום-סולפורית מוצקה שונה מסוללות ליתיום קונבנציונליות-יון בשני כבוד מפתח: חומר קטואדה והאלקטרוליטה. בתא Li-ion סטנדרטי, הקטודה היא בדרך כלל תחמוצת מתכת (למשל, ליתיום cobalt oxide), ואת אלקטרוליטיט הוא מתקן אורגני המכיל מלחים המכילים אלומיניום, חומר קרמיקה (כמו קרמיקה) הוא חומר קרמיקה מוצק (כמו קרמיקה, קרמיקה, קרמיקה, קרמיקה, קרמיקה) או קרמיקה מוצק (או קרמיקה (Lulte) הוא חומר קרמיקה מוצק (או קרמיקה, קרמיקה) קרמיקה (Lulte קרמיקה, קרמיקה, קרמיקה, קרמיקה (או קרמיקה) הוא חומר מוצק (או חומר מוצקהמתכת מוצקה, קרמיקה) הוא חומר קרמיקה (או קרמיקה) קרמיקה (או קרמיקה, קרמיקה (או קרמיקה) הוא חומר מוצקהסולריתוליקולאריקולארי, קרמיקה (או קרמיקה (או קרמיקה) הוא חומר מוצק, קרמיקה מוצק, קרמיקה, קרמיקה (או חומר קרמיקה (כמו קרמיקה (כמו קרמיקה) הוא חומר קרמיקה) הוא חומר מוצקהמתכת מוצק קרמיקה, קרמיקה

ה-Sulfur Cathode מציע יכולת ספציפית תיאורטית של 1,675 mAh /g, אשר הוא בערך פי 5 מאשר זה של קטודות קונבנציונליים.זה מתורגם ישירות לתוך צפיפות אנרגיה גבוהה יותר, עלול לעלות מעל 500 Wh / ק"ג ברמת התא, בהשוואה ל-250-300 Wh / ק"ג עבור תאים לי-של-הארט-של-ה-ה-ה-ה-הארט-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ל-ל-ה-ה-ה-ל-ה-ה-ה-ה-ה-ל-ל-ה-ה-ל-ה-ה-ל-ל-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-

במהלך השחרור, מתכת ליתיום מוחמצן ב aode, שחרור ליתיום ions נודדים דרך אלקטרוליט המוצק לקטוודה של sulfur, sulfur מופחת כדי ליצור ליתיום פוליסולידים (Li2Sx) ובסופו של דבר ליתיום sulfide (2S) מתרחש במהלך הטעינה.

יתרונות מרכזיים מעל Lithium-Ion Batteries

ההבטחה של טכנולוגיית ליתיום-סולפורית מוצקה נשענת על מספר יתרונות שונים שמטפלים בנקודות הכאב העיקריות של מערכות סוללות נוכחיות.

1.אנרגיה גבוהה יותר ואנרגיה ספציפית

עם צפיפות אנרגיה תיאורטית כמעט סדר גודל גבוה יותר מאשר תאים לייון של היום, סוללות לי-S מוצקה מדינת מוצק יכול להרחיב באופן דרמטי את טווח הנהיגה של כלי רכב חשמליים ולהקטין את משקל האלקטרוניקה הניידים. . . . â € ¢ רמת האנרגיה של 400-600 Wh / ק"ג נחשבים נרחב עומס, בהשוואה ל 250-300 Wh / ק"ג עבור התאים הטובים ביותר Liion.

בטיחות פנימית

אלקטרוליטים מוצקים הם לא מסוכנים ולא רצוניים, חיסול הסיכונים של האש והפיצוץ הקשורים לאלקטרוליטים נוזליים. יתרון בטיחות זה הוא קריטי במיוחד עבור סוללות בפורמט גדול המשמשות כלי רכב חשמליים ואחסון רשת, שבו מקרים תרמיים גרמו לדאגה משמעותית. סולידריות המדינה לי-S תאים יכולים גם לפעול על פני טווח טמפרטורה רחב יותר ללא הסיכון של הקפאת אלקטרוליטקטיבית או שיפור באמינות קיצונית.

3. אבונדנט ו- Low-Cost Raw Materials

Sulfur הוא אחד המרכיבים המתחדשים ביותר על פני כדור הארץ, המיוצר לעתים קרובות כתוצר של שמן refining.העלות שלה היא הזמנות של גודל נמוך יותר מאשר cobalt, ניקל, ליתיום המשמש קטודות קונבנציונליות, בעוד אלקטרוליטים מוצק לעתים קרובות דורשים ליתיום, הרבה חומרים אלקטרוליטים חזקים יותר (למשל, sulfides כמו LiPS5Cl, או oxides) לעומת זאת, לעומת 30 רכיבים חשמליים, לא יכול להפחית את זה לא יכול להפחית את זה.

4 טביעת רגל סביבתית

כריית ועיבוד של cobalt ו ניקל יש השפעות סביבתיות וזכויות אדם .על ידי שימוש sulfur והימנעות חומרים אלה, סוללות לי-S מוצק יכול להיות בעל השפעה נמוכה משמעותית על פחמן פליטה כדי לחקור טביעת רגל. יתר על כן, אלקטרוליטים מוצק יכול להיות מתוכנן להיות ממוחזר בקלות רבה יותר, אם כי מחזור תהליכים עבור כימאמים חדשים אלה עדיין בפיתוח כולו הוא צפוי יותר על ידי מחזור חיים יציב יותר.

5.הסברי ניהול הירומאל

מכיוון שאלקטרוליטים מוצקים יציבים בטמפרטורות גבוהות, סוללות לי-S מוצקות דורשות פחות מערכות קירור משוכללות.ב- EV, עיצוב אריזות הסימולציות הזה ומפחיתות צריכת אנרגיה פרסיטית לניהול תרמי.באחסון ברשת, סוללות ניתן להתקין בסביבה פחות מבוקרת אקלים, הורדת עלויות תשתיות.

שמירה על אתגרים טכניים

למרות היתרונות המשכנעים הללו, סוללות ליתיום-סולפוריות של מדינתיות לא מוכנות עדיין לפריסה מסחרית נרחבת.יש להתגבר על אתגרים יסודיים רבים.

אפקט ה-Posulfide

גם עם אלקטרוליט מוצק, ליתיום ביניים פוליסולידים עדיין יכול להיווצר בקטודה ועשויה להתפוגג דרך גבולות דגנים או microcracks ב אלקטרוליטטה.זה "אפקט כפול" מוביל לאובדן של חומר פעיל, קיבולת fading, ויעילות קומולבית גרועה. בעוד אלקטרוליטים מוצק יכולים לחסום תחבורה פיזית יותר מאשר נוזלי, דורש דיכוי מוחלט של שימוש פוליסולני ופוליופטי.

סולידריות אלקטרוליטנטיות והתנהלות

אלקטרוליטים מוצקים חייבים להציג מולית-יון גבוהה (בדרך כלל > 10-3 S/cm בטמפרטורת החדר) בעוד שנותר יציב מבחינה כימית נגד התמוטטות מתכת ליתיום וקטודה הסגנית.רבים sulfide מבוסס אלקטרוליטים, כגון Li6PS5Cl, יש מוליכות גבוהה אבל הם מאוד תגובתיים עם לחות ודורשים ייצור יבש.

הרחבה ומדרדציה מכנית

במהלך רכיבה על אופניים, הסרפור עובר שינוי נפח גדול (עד 80% הרחבה על הליטציה) הלחץ מכני זה יכול לשבור את אלקטרוליט המוצק, ליצור חללים בין-גזעיים, ולגרום לדיכאון בין הקתודה לבין שכבות אלקטרוליטנטיות.אדריכלות מתקדמת קתודה מתקדמת - כגון הטמעת sulfur בפחמן פחמן או באמצעות כוויות פולימרניות - מפותחת כדי להשיג אינטגרציה מכנית זו, אך לטווח ארוך הוא מאתגר.

Lithium Dendrite growth

כאשר משתמשים ב-Lethium מתכת aode, non-uniform plating של ליתיום במהלך הטעינה יכול להוביל לדהוק צמיחה, אשר יכול לחדור אלקטרוליט מוצק ולגרום מעגלים קצרים פנימיים. Solid אלקטרוליטים עם מודולים גבוהים הם באופן תיאורטי מסוגלים לדכא dendrites, אבל בפועל, פגמים וגבולות דגנים עדיין לאפשר חדירה.

עלויות סקלאלה וייצור

הפחתת גלידות אלקטרוליט מוצקות מוצקות ללא פגם בנפח גבוה ועלויות נמוכות היא אתגר ייצור משמעותי. שיטות ייצור נוכחיות (למשל, טייפ, נפיחות, או זיהום זיהום אלקטרופור כימי) הן איטיות מדי, יקרות מדי, או מניבות איכות עקבית.הצורך בתהליכים יבשים או ברטי-אטמוספרה לעיבוד עבור עלייה אלקטרופלילית תאים נוספים שפועלים ממעבדה.

מחקר מתמשך ופרקות אחרונות

חוקרים וחברות ברחבי העולם מתמודדים באופן פעיל עם אתגרים אלה.כמה כיוונים מבטיחים הופיעו.

אלקטרוליטים מתקדמים

(ה) שיעורים חדשים של אלקטרוליטים מוצקים, כגון halide מבוסס (למשל, Li3YCl6) ומוליכים דו-צדדיים, מציעים התנהגות גבוהה בשילוב עם יציבות משופרת עבודה אחרונה מ-FLT:0researchers ב-MITFLT:1 הוכיחו sulfide אלקטרוליטטה כי מתנגד לפירוק מתחים גבוהים תוך שמירה על התנהגותית בינתיים, F2: LT2 ק"ג') ו-L.

עיצוב Cathode ו Polysulfide Management

שילוב של sulfur לתוך מסגרת פחמן ⁇ או באמצעות מסגרות מתכת-אורגניות (MOFs) כמו חומרים מארחים יכול להגביל את פירוק פוליסוליד ולתאם שינויים נפח לאחרונה:0studies מ סטנפורדFLT 1 הוכיח כי ציפוי חלקיקים sulfur עם שכבה דקה של sulfide אלקטרוליטנטיות מוצק יכול ליצור יציב "-core" מחזור חיים דרמטי.

הנדסת Interface

כדי למנוע צמיחה של נדריט ולהפחית התנגדות בין-גזעית, החוקרים מפתחים מחלוקות מוצקות-אלקטרוניקה (SEIs) על גבי גולגולת מתכת ליתיום מתכת, באמצעות חומרים כמו ליתיום פלואוריד (LiF) או Lithium nitride (Lithium nitride) (Li3N) , שכבות דקות אלה מקדםות אחידות בשפע ולשפר את יכולת הרטובה של אלקטרוליטיקה מוצקה של נייר LTF: 20AFPIFairera-R.

ייצור חדשנות

כמה סטארט-אפים ויצרנים מבוססים הם מקיפים את הייצור באמצעות תהליכים רול-טו-גלגל, ציפוי רטוב-ריי, וטכניקות מחוסמות במהירות.חברות כגון קוונטין, כוח סולידריות ופרולוגייום מכוונות לייצור מסחרי בסוף 2020.

דרישות פוטנציאליות ואפקט שוק

אם ניתן לפתור את ההוורדים הנותרים, סוללות ליתיום-סולפוריות של מדינתיות יכולות לשבש מספר מגזרים.

רכב חשמלי (EVs)

השילוב של צפיפות אנרגיה גבוהה, בטיחות, ועלויות נמוכות הופך את סוללות Li-S אידיאלי עבור נוסעים EVs, משאיות מסחריות ואפילו מטוסים חשמליים. טווח 600 קילומטר ללא עונש משקל של ערכות סוללות נוכחיות יכול לחסל חרדה טווח להפחית את הצורך בתשתית טעינה מהירה.

חברת Grid-Scale Energy

לאחסון נייח, הבטיחות והארוכות של תאים יציבים במיוחד.בנקים גדולים של סוללות המותקנים באזורים עירוניים לא חייבים להוות סיכון אש.העלות החומרית הנמוכה וחיי מחזור ארוכים (המוגדרים ב-5,000-10,000 מחזורים) יכולים להפוך את Li-S למצב מוצק עם טכנולוגיות אחסון הידרו-סוליות ובסיסיות אחרות.הם יאפשרו שילוב יעיל יותר של טכנולוגיות אחסון אוויריות כמו רוח השמש והנשמה.

מוצרי אלקטרוניקה ולבוש

סוללות דקות, קלות משקל ובטוחות יכולות לאפשר סמארטפונים דקים יותר, מחשבי מחשב ניידים ארוכי טווח, ומכשירים חדשניים לבישים. Solid-state Li-S תאים יכולים להיות מעוצבים לצורות לא קונבנציונליות, ומאפשרים להם להשתלב לתוך מחסנים קומפקטיים או מעוקלים.

אוויר והגנת

האנרגיה הספציפית הגבוהה (Wh/kg) היא קריטית עבור מל"טים, לווינים וציוד צבאי, שבו כל דקדוק נחשב.סוללה לי-S מוצקה יכולה לכפות רחפנים חשמליים למשך שעות במקום דקות, או לאפשר משימות חלל ארוכות יותר ללא מערכות ניהול תרמי כבדות.

עתיד Outlook ומסחריות Timeline

בעוד סוללות Li-S מוצקות עדיין לא מסחריות, התקדמות בחמש השנים האחרונות מאיצה. אנליסטים בתעשייה ב-FLT:0IDTechExveFLT:1 פרויקט כי יישומי הנישה הראשונים - כגון מכשירים רפואיים ורכיבים בעלי יכולת גבוהה - עשויים להופיע כבר 2026–2028 תאים ברמת הרכב יכולים להגיע לשוק עד 2030, מונעים מהשקעות מיצרניות הרכב הגדולות ויצרניות הרכב, אך ורק עלות, עלות רחבות, תלויות ברזולוציה גבוהה, ופתרון, עלות, עלות, עלות, עלות, עלות, עלות של תאים ברמת הרכב, תלויות, עלות, עלות, עלות, עלות, עלות, עלות, עלות עלות, עלות, עלות, עלות עלות, עלות, עלות עלות, עלות, עלות, עלות, עלות, עלות, עלות, עלות, עלות, עלות, עלות, עלות, עלות, עלות, עלות, על ידי צריכת הרכב יכולה להגיע לשוק עד 2030, על ידי השקעות מיצרניות הרכב יכולות להגיע לשוק עד 2030, עלות, על ידי השקעות של תעשיית הרכב יכולות להגיע לשוק עד 2030, על ידי השקעות מיצרניות הרכב יכולות להגיע לשוק עד 2030,

אדריכלות היברידית, כגון שימוש בכמות קטנה של נוזל או ג'ל אלקטרוליט לממשקים רטובים, יכולה לספק צעד ביניים לעבר מערכות מוצקות מלאות של מדינת מוצקות.עיצובים רבים הנוכחיים של "סולמי" כבר להשיג שיפורים בדחיסות אנרגיה ובטיחות על תאים קונבנציונליים לי-יון.זה כנראה ישמשו כהוכחה לחומרים ולתהליכים הדרושים סוללות לי-ס.

מסקנה

סוללות ליתיום-סולפוריות של מדינת סולידריות מייצגות את אחד הנתיבים המבטיחים ביותר לדור הבא של אחסון אנרגיה. היתרונות התיאורטיים שלהם בצפיפות אנרגיה, בטיחות, עלות והשפעה סביבתית אינם תואמים על ידי כימאים אחרים של סוללות סוללות מתפתחות, בעוד מכשולים טכניים משמעותיים נשארים - במיוחד בניהול אפקט מעבורת, שמירה על יציבות אלקטרוליטית מוצקה, ורמת הייצור - קצב המחקר והפיתוח הוא מאיץ עם גישה בטוחה יותר, אך בטוח יותר, אך לטווח ארוך יותר, אך לא יכול להיות בטוח יותר של כלי רכב יציב יותר, אך בטוח יותר, אך בטוח יותר, אך בטוח יותר, אך בטוח יותר, אך בטוח יותר, לטווח ארוך יותר, אך בטוח יותר, הוא בטוח יותר, אבל בטוח יותר, בטוח יותר, זמן, זמן, זמן, עם זאת, עם זאת, בטוח יותר, אנרגיה לטווח ארוך יותר, עם זאת, אנרגיה, פיתוח, אנרגיה, מערכת ההפעלה, הוא בטוח יותר, עם זאת, עם זאת, עם זאת, מערכת ההפעלה אלקטרוליטי, עם זאת, עם זאת, מערכת ההפעלה אלקטרוליטי, יותר, מערכת ההפעלה אלקטרוליטי, עם זאת, עם זאת, היא מערכת ההפעלה, יותר, היא מערכת ההפעלה, זמן ארוך יותר, היא יעילה יותר, זמן ארוך יותר, אבל יותר, בטוח יותר