Analisis semua baterai solid-state serta kelebihan dan kekurangannya
Lima karakteristik baterai solid-state
Keamanan tinggi:
Masalah keamanan baterai cair selalu dikritik. Elektrolit mudah terbakar pada suhu tinggi atau benturan keras. Di bawah arus tinggi, dendrit litium juga akan tampak menembus pemisah dan menyebabkan korsleting. Terkadang elektrolit dapat mengalami reaksi samping atau terurai pada suhu tinggi. Stabilitas termal elektrolit cair hanya dapat dipertahankan hingga 100 derajat, sedangkan elektrolit padat oksida dapat mencapai 800 derajat, dan sulfida serta halida juga dapat mencapai 400 derajat. Oksida padat lebih stabil dibandingkan cairan, dan karena bentuknya yang padat, ketahanan benturannya jauh lebih tinggi dibandingkan cairan. Oleh karena itu, baterai solid-state dapat memenuhi kebutuhan masyarakat akan keselamatan.
Kepadatan energi tinggi:
Saat ini, baterai solid-state belum mencapai kepadatan energi melebihi baterai cair, namun secara teoritis, baterai solid-state dapat mencapai kepadatan energi yang sangat tinggi. Baterai solid-state tidak perlu dibungkus dengan cairan untuk mencegah kebocoran seperti baterai cair. Oleh karena itu, cangkang yang berlebihan, film pembungkus, bahan pembuangan panas, dll. dapat dihilangkan, dan kepadatan energi dapat ditingkatkan secara signifikan.
Kekuatan tinggi:
Ion litium dalam baterai cair dibawa secara konduksi, sedangkan ion litium dalam baterai solid-state dilakukan melalui konduksi lompatan, yang lebih cepat dan memiliki laju pengisian dan pengosongan yang lebih tinggi. Pengisian cepat selalu menjadi kesulitan dalam teknologi baterai cair karena litium akan mengendap jika kecepatan pengisian terlalu cepat, namun masalah ini tidak terjadi pada semua baterai solid-state.
Kinerja suhu rendah:
Baterai cair umumnya bekerja secara stabil pada suhu -10 hingga 45 derajat , namun daya jelajahnya sangat menurun di musim dingin. Suhu pengoperasian elektrolit padat adalah antara -30 derajat dan 100 derajat , sehingga tidak akan ada pengurangan masa pakai baterai kecuali di area yang sangat dingin, dan tidak diperlukan sistem manajemen termal yang rumit.
Rentang umur panjang:
Di antara baterai cair, rata-rata umur baterai ternary adalah 500-1000 siklus, dan umur baterai litium besi fosfat dapat mencapai 2000 siklus. Film tipis serba padat dapat mencapai 45,000 siklus di masa depan, dan masa pakai 5C di laboratorium dapat mencapai 10.000 kali lipat. Ketika biaya produksi dengan kepadatan energi yang sama dapat dikonvergensi, efektivitas biaya baterai solid-state tidak ada bandingannya.
Perbandingan 4 elektrolit anorganik padat
Jenis bahan elektrolit padat dapat dibagi menjadi empat kategori: oksida, sulfida, polimer, dan halida. Masing-masing dari keempat jenis elektrolit ini memiliki sifat fisik dan kimia yang berbeda, yang menentukan kesulitan penelitian dan pengembangan, produksi, dan industrialisasi serta posisi pasarnya di masa depan.
Elektrolit Oksida:
Keuntungan:Konduktivitas ionik berada di tengah, dan memiliki stabilitas elektrokimia, stabilitas mekanik, dan stabilitas termal terbaik. Ini dapat disesuaikan dengan bahan katoda tegangan tinggi dan anoda litium logam. Konduktivitas elektronik dan selektivitas ion yang sangat baik. Pada saat yang sama, tingkat kontinuitas peralatan dan biaya produksi juga memiliki keuntungan besar. Kemampuan komprehensif adalah yang paling komprehensif.
Kekurangan:Stabilitas reduksi agak rendah, rapuh, dan dapat menimbulkan keretakan.
Elektrolit oksida memiliki kekuatan mekanik yang tinggi, stabilitas termal dan udara yang baik, dan jendela elektrokimia yang lebar. Elektrolit oksida dapat dibagi menjadi bentuk kristal dan amorf. Elektrolit oksida kristal yang umum termasuk tipe perovskit, tipe LISICON, tipe NASICON, dan tipe garnet. Elektrolit oksida dapat menahan tegangan tinggi, memiliki suhu dekomposisi yang tinggi, dan memiliki kekuatan mekanik yang baik. Namun, konduktivitas ioniknya pada suhu ruangan rendah (<10-4 S/cm), it has poor contact with the solid-solid interface of the positive and negative electrodes, and it is usually thick (>200μm), yang sangat mengurangi kepadatan energi volume baterai. Melalui doping elemen dan modifikasi batas butir, konduktivitas elektrolit oksida pada suhu ruangan dapat ditingkatkan hingga urutan 10-3 S/cm. Mengontrol volume kristal dan menambahkan lapisan polimer dapat meningkatkan kontak antarmuka antara elektrolit oksida dan elektroda positif dan negatif. Metode pelapisan larutan/bubur dapat menghasilkan membran elektrolit padat yang sangat tipis.
Elektrolit sulfida:
Keuntungan:konduktivitas ion tertinggi, ketahanan batas butir kecil, keuletan yang baik, dan selektivitas ion yang baik.
Kekurangan:stabilitas kimia yang buruk, akan bereaksi dengan logam litium, dan mudah bereaksi dengan udara lembab. Biayanya lebih tinggi dan sifat mekaniknya buruk. Saat ini produksinya masih perlu dilakukan dalam glove box sehingga sulit untuk diproduksi massal dalam skala besar.
Elektrolit sulfida memiliki konduktivitas suhu kamar yang tinggi dan keuletan yang baik, dan stabilitasnya dapat ditingkatkan melalui doping dan pelapisan. Elektrolit sulfida saat ini tersedia dalam tiga bentuk utama: kaca, keramik kaca, dan kristal. Elektrolit sulfida memiliki konduktivitas suhu ruangan yang tinggi, mendekati elektrolit cair (10-4-10-2 S/cm), kekerasan sedang, kontak fisik antarmuka yang baik, dan sifat mekanik yang baik. Mereka adalah kandidat material penting untuk baterai solid-state. Namun, elektrolit sulfida memiliki jendela elektrokimia yang sempit, stabilitas antarmuka yang buruk dengan elektroda positif dan negatif, dan sangat sensitif terhadap kelembapan. Ia dapat bereaksi dengan sejumlah kecil air di udara dan melepaskan gas hidrogen sulfida beracun. Produksi, transportasi, dan pemrosesan memiliki persyaratan lingkungan yang sangat tinggi. Metode modifikasi seperti doping dan pelapisan dapat menstabilkan antarmuka antara sulfida dan elektroda positif dan negatif, sehingga cocok untuk berbagai jenis bahan elektroda positif dan negatif, dan bahkan digunakan pada baterai lithium-sulfur.
Persiapan baterai elektrolit sulfida memiliki persyaratan lingkungan yang tinggi. Elektrolit sulfida mempunyai konduktivitas tinggi yang relatif lunak, dan dapat diproduksi dengan metode pelapisan. Proses produksinya tidak jauh berbeda dengan proses produksi baterai cair yang ada, namun untuk meningkatkan kontak antarmuka baterai, biasanya perlu dilakukan beberapa kali pengepresan panas setelah pelapisan dan menambahkan lapisan penyangga untuk meningkatkan kontak antarmuka. Elektrolit sulfida sangat sensitif terhadap kelembapan dan dapat bereaksi dengan sejumlah kecil air di udara untuk menghasilkan gas beracun hidrogen sulfida, sehingga persyaratan lingkungan untuk pembuatan baterai sangat tinggi.
Elektrolit polimer:
Keuntungan:keamanan yang baik, fleksibilitas, kontak antarmuka, dan film yang mudah dibentuk.
Kekurangan:Konduktivitas ionik sangat rendah pada suhu kamar dan stabilitas termal yang buruk.
Ini fleksibel dan mudah untuk diproses, dan konduktivitasnya dapat ditingkatkan melalui ikatan silang, pencampuran, pencangkokan, dan penambahan bahan pemlastis. Substrat polimer utama yang digunakan dalam elektrolit polimer meliputi PEO, PAN, PVDF, PA, PEC, PPC, dll. Garam litium utama yang digunakan meliputi LiPF6, LiFSI, LiTFSI, dll. Elektrolit polimer mudah dibuat, memiliki fleksibilitas dan kemampuan proses yang baik, dan dapat digunakan pada produk elektronik fleksibel atau baterai dengan bentuk yang tidak konvensional. Ia memiliki kontak fisik yang baik dengan elektroda positif dan negatif, dan prosesnya relatif mirip dengan baterai litium yang ada. Baterai ini dapat dengan mudah digunakan dalam produksi massal baterai melalui transformasi peralatan yang ada. Namun, konduktivitas ionik elektrolit polimer pada suhu kamar umumnya sangat rendah (<10-6 S/cm). The most common PEO-based polymer electrolyte also has poor oxidation stability and can only be used for LFP-positive electrodes. The room temperature conductivity of polymer electrolytes can be improved by cross-linking, blending, grafting, or adding a small amount of plasticizers with a variety of polymers. In-situ curing can improve the physical contact between the polymer electrolyte and the positive and negative electrodes to the level of liquid batteries. The design of asymmetric electrolytes can broaden the electrochemical window of polymer electrolytes. The battery manufacturing process developed earlier and is relatively mature. The polymer electrolyte layer can be prepared by dry or wet methods. Battery cell assembly is achieved through roll-to-roll compounding between electrodes and electrolytes. Both dry and wet methods are very mature, easy to manufacture large batteries, and are closest to the existing liquid battery preparation methods.
Elektrolit halida:
Keuntungan:resistansi elektronik rendah, selektivitas ion tinggi, stabilitas reduksi tinggi, dan tidak mudah retak.
Kekurangan:Masih dalam tahap laboratorium, memiliki stabilitas kimia dan stabilitas oksidatif yang buruk, serta memiliki ketahanan ion yang tinggi.
Karena kelebihan dan kekurangan halida dan polimer, persaingan global masa depan untuk baterai solid-state terutama akan berfokus pada oksida dan sulfida. Faktanya, karena stabilitas kimianya yang buruk, jenis bahan yang dapat dipilih untuk elektrolit sulfida sangat sempit, namun selama ditemukan bahan yang sesuai dan terobosan proses, kekurangan ini dapat diatasi.
Namun, dari perspektif industrialisasi, proses yang rumit akan menyebabkan biaya yang lebih tinggi dan batasan skala, sehingga elektrolit padat oksida saat ini menjadi arus utama dalam pengembangan baterai solid-state. Dari baterai cair hingga baterai solid-state, akan ada tahap baterai semi padat, dan yang paling cocok pada tahap ini adalah jalur oksida. Hal ini karena kinerjanya yang komprehensif dan keunggulan biaya. Baterai semi-solid dapat menggantikan baterai cair saat ini dengan lebih cepat, secara bertahap memanfaatkan keunggulan dan efektivitas biaya baterai solid-state.
Dengan kemajuan teknologi, masih belum jelas apakah dunia akan didominasi oleh oksida atau sulfida di masa depan. Inti dari teknologi baterai solid-state adalah penelitian dan pengembangan elektrolit solid-state. Meskipun bahan elektrolit padat saat ini telah mengalami kemajuan besar, bahan tersebut masih memiliki masalah seperti konduktivitas yang buruk, resistansi antarmuka yang besar, dan biaya persiapan yang tinggi. Penelitian dasar yang berkelanjutan dan terobosan teknologi diperlukan untuk meningkatkan konduktivitas dan stabilitas elektrolit padat.
