새로운 에너지 기술의 활발한 개발의 물결에서, 매우 유망한 차세대 배터리 기술인 Solid-State Battery는 모든 생계에서 광범위한 관심을 끌었습니다. 전자 장치의 지구력에 대한 사람들의 요구 사항과 전기 자동차의 주행 범위가 계속 증가함에 따라 배터리 안전성에 대한 강조가 매일 증가함에 따라 솔리드 스테이트 배터리는 안전 및 범위 측면에서 전통적인 액체 리튬 이온 배터리의 많은 통증 지점을 해결할 것으로 예상됩니다. 그러나 대규모 대중화 및 응용 프로그램 이전에 소비자의 마음에 핵심 질문이 남아 있습니다. 솔리드 스테이트 배터리가 안전하고 장거리를 제공 할 수 있습니까? 이 질문에 답하려면 솔리드 스테이트 배터리의 작업 메커니즘, 기술적 특성 및 현재 연구 및 응용 상태를 조사해야합니다.
솔리드 스테이트 배터리의 작동 원리 및 구조적 특성
솔리드 스테이트 배터리와 전통적인 액체 리튬 이온 배터리의 핵심 차이는 전해질 형태입니다. 전통적인 액체 리튬-이온 배터리는 액체 전해질을 사용하여 양극과 음극 사이의 리튬 이온의 움직임을 통해 충전 및 배출 공정을 달성합니다. 대조적으로, 고형 상태 배터리는 일반적으로 세라믹, 중합체 또는 황화물 물질로 만들어진 고체 전해질을 이용합니다. 고체 배터리에서, 리튬 이온은 또한 충전 동안 양의 전극으로부터 탈락하고 고체 전해질을 통해 음극 전극으로 삽입되었다; 배출하는 동안, 반대 방향으로 이동하는 반면, 전자는 네거티브 전극에서 포지티브 전극으로 흐르고 외부 회로를 통해 전류를 생성하여 전류를 생성하여 장치에 전원을 공급합니다.
고체 전해질의 사용은 고유 한 구조적 특성을 가진 고체 스테이트 배터리를 부여합니다. 양극과 음극 사이의 단락을 방지하기 위해 분리기를 필요로하는 액체 전해질과 비교하여, 고체 전해질 자체는 이온 전도 및 전극 분리의 이중 기능을 가지므로 배터리 구조를보다 컴팩트하게 만듭니다. 한편, 고체 전해질은 더 높은 안정성을 나타내고 휘발 및 누출이 덜되므로 배터리 안전성을 향상시키는 기초가됩니다.
솔리드 스테이트 배터리의 안전 성능
전통적인 액체 리튬 이온 배터리는 고온 조건에서 열 런 어웨이의 위험이 있습니다. 배터리 온도가 80도와 같은 특정 임계 값을 초과하면 액체 전해질은 가연성 가스를 생성하기 위해 분해 될 수 있으며 배터리 내의 부작용이 강화되어 열이 빠르게 축적되어 궁극적으로 배터리가 불을 피우거나 폭발시킵니다. 독일 Tüv 테스트 기관의 데이터는이 숨겨진 위험을 분명히 보여줍니다.
솔리드 스테이트 배터리는 열 안정성에서 상당한 이점을 나타냅니다. 고체 전해질에 휘발성 및 가연성 액체 성분이 없기 때문에, 열 안정성은 액체 전해질보다 훨씬 높다. 일본의 NEDO (New Energy and Industrial Technology Development Organization)가 수행 한 펑크 테스트는 인상적입니다. 강철 바늘이 고체 배터리를 구분하면 배터리 온도는 2 도만 상승하는 반면 전통적인 액체 리튬 이온 배터리는 불과 3 초 안에 폭발합니다. 이 실험 결과는 극도의 기계적 남용에 직면하여 고체 배터리의 우수한 안전성을 시각적으로 보여줍니다.
"솔리드 스테이트 배터리가 (액체) 리튬 이온 배터리보다 안전합니까?" 2022 년 4 월 과학에 발표 된 연구원들은 액체 리튬 이온 배터리의 열 방출 및 온도 상승 제한에 대해 논의했습니다. 일정량의 전해질이있는 반 고체 배터리 및 3 개의 열 유사 시나리오 하에서 모든 고체 상태 배터리에 대해 논의했습니다. 이 연구는 외부 가열로 인한 열 런 어웨이 상태에서 모든 고체 상태 배터리가 반고체 및 액체 리튬 이온 배터리보다 우수한 것으로 나타났습니다. 모든 고체 상태 배터리에서 고밀도의 고체 전해질은 효과적인 가스 장벽을 형성하여 음의 전극의 리튬과 양성 전극으로부터 방출 된 산소 사이의 접촉을 방지 할 수있다. 이 가상 시나리오에서는 열 방출이 크지 않습니다.
리튬 수상 돌기 성장의 억제
전통적인 액체 리튬 이온 배터리의 충전 및 배출 공정 동안, 리튬 이온은 빠른 충전 동안 음성 전극의 표면에서 직접 결정화되어 위험한 리튬 수상 돌기를 형성 할 수 있습니다. 리튬 수상 돌기의 성장은 배터리 용량 부패로 이어질뿐만 아니라 분리기를 뚫어 양성과 음성 전극 사이의 단락을 유발하고 안전 사고를 유발할 수 있습니다. 이 숨겨진 위험은 CATL의 엔지니어들에 의해 공개되었습니다.
고형 상태 배터리는 리튬 수상 돌기 성장을 억제하는 잠재력을 보여줍니다. 고체 전해질의 특수 구조 및 특성은 리튬 이온 이동을위한보다 균일 한 경로를 제공하여 리튬 수상 돌기 형성의 가능성을 감소시킬 수있다. 리튬 수상 돌기 성장을 완전히 제거하면 실제 응용 분야에서 여전히 어려움이 있지만, 이와 관련하여 솔리드 스테이트 배터리의 개선 추세는 액체 리튬 이온 배터리에 비해 분명합니다.
잠재적 안전 위험
안전 측면에서 솔리드 스테이트 배터리의 많은 장점에도 불구하고 절대적으로 안전하지는 않습니다. 고체 전해질이 실패하거나 리튬 수상 돌기가 고체 전해질을 관통하여 단락으로 일치하는 경우와 같은 특정한 경우에는 모든 고체 상태 배터리 및 반 고체 배터리의 안전성이 액체 리튬 이온 배터리의 안전성보다 우수하지 않습니다. Wuhan University의 화학 및 분자 과학 학교의 Ai Xinping 교수는 모든 고체 상태 배터리가 높은 에너지 밀도와 우수한 안전을 모두 가지고 있다는 주장은 실제로 개념적인 손의 손을 포함한다고 지적합니다. 고형 상태 배터리의 일부 재료는 사고 발생시 황화수소와 같은 독성 가스를 생산할 수 있기 때문에 전통적인 배터리와 같은 사람을 직접 연소 시키지는 않지만 황화수소 가스는 독성이 있으며 인체에 심각한 해를 끼칠 수 있습니다.
범위의 솔리드 스테이트 배터리의 잠재력
이론적으로, 고형 상태 배터리는 높은 에너지 밀도를 달성 할 가능성이 있으며, 이는 장치의 지구력을 크게 향상시킬 것으로 예상됩니다. 고체 전해질은 음성 전극으로 순수한 금속 리튬을 사용하여 단위 부피당 에너지 저장 용량을 크게 증가시킵니다. 중국 과학 아카데미의 Qingdao Institute of Bioenergy Institute and Bioprocess 기술의 실험 데이터는 고형 상태 배터리 샘플의 에너지 밀도가 500Wh\/kg을 초과 한 반면 TESLA 모델 3에 사용되는 21700 배터리의 에너지 밀도는 260Wh\/kg에 불과합니다.
전기 자동차를 예를 들어, 운전 범위는 항상 소비자의 관심의 초점이었습니다. 고체 배터리를 대표하는 Chery의 Kunpeng 배터리는 2024 년에 400WH\/kg의 에너지 밀도를 달성하고 2025 년에 600WH\/kg으로 증가시킬 계획입니다.이 계획에 따르면 2027 년에 대량 생산 된 계획에 따르면 순수한 전기 구동 범위는 1500km를 초과 할 것으로 예상됩니다. 이러한 목표가 달성되면 전기 자동차 사용자의 범위 불안을 크게 완화시킬 것입니다.
실제 범위의 도전
그러나 실험실에서 실제 적용에 이르기까지 솔리드 스테이트 배터리는 여전히 범위 측면에서 몇 가지 문제에 직면 해 있습니다. 첫째, 고체 전해질과 전극 사이의 인터페이스 임피던스는 비교적 두드러지며, 이는 고속도로에 통행료 부스를 설정하는 것과 유사하며 리튬 이온의 빠른 전송을 방해하고 배터리의 충전 및 배출 효율에 영향을 미쳐 범위에 부정적인 영향을 미칩니다. 둘째, 물에 노출 될 때 독성이 높은 황화수소 전해질의 치명적인 결함은 배터리 생산 및 사용 중 안전 위험을 증가시킬뿐만 아니라 배터리의 안정성과 신뢰성에 심각한 어려움을 겪습니다. 또한, 고체 전해질 필름 준비의 낮은 수율은 대규모로 높은 생산 비용을 초래하여 고형 상태 배터리의 광범위한 적용을 제한하고 시장에서 장거리 장점을 보여주는 과정에 간접적으로 영향을 미칩니다.
결론과 전망
요약하면, 솔리드 스테이트 배터리는 안전성과 범위 측면에서 상당한 잠재력을 보여줍니다. 안전 측면에서, 열 안정성 장점은 분명하며, 리튬 덴드리트 성장을 효과적으로 억제하여 대부분의 경우 전통적인 액체 리튬 이온 배터리보다 안전하고 신뢰할 수 있습니다. 그러나 고체 전해질 고장과 같은 극단적 인 상황에 직면해도 여전히 안전 위험이 있습니다. 범위 측면에서, 고 에너지 밀도의 이론적 이점은 장거리의 가능성을 제공하며, 일부 실험 데이터 및 기업 계획은 유망한 전망을 보여줍니다. 그러나 실제 응용 분야에서 인터페이스 임피던스, 전해질 결함 및 비용과 같은 문제는 장애물이 장거리 이점의 전체 실현을 방해하는 장애물이되었습니다.
수많은 도전에 직면했지만 솔리드 스테이트 배터리는 여전히 차세대 배터리 기술의 중요한 개발 방향으로 간주됩니다.