Araştırmacılar Temel Konulara Odaklanırken Katı Hal Piller Üzerinde Çalışmalar Devam Ediyor

Katı hal pilleri, kullanılır Akıllı telefonlarda, elektrikli el aletlerinde ve EV'lerde kullanılan piller, elektrolit kullanımı açısından Li-ion pillerden farklıdır. Li-ion pil sıvı elektrolit kullanırken, katı hal pil katı elektrolit kullanır. 

Li-ion pillerde katot ve anodu ayrı tutmak için bir ayırıcı mevcuttur. Katı hal pillerde katı elektrolit de ayırıcı rolünü oynar. 

Bunlar sadece ayırt edici özellikler olsa da, bilimsel ve teknolojik topluluk katı hal pillerini geliştirdi çünkü sağlam bir yapıyla stabiliteyi arttırdı ve güvenliği artırdı. Bu piller elektrolit zarar görse bile formunu koruduğu için üzerinde çalışmaya devam ediyorlar.

Katı hal pili daha yüksek enerji yoğunluğuna sahiptir ve patlama veya yangın riski taşımaz. Güvenlik bileşenlerinin desteğine ihtiyaç duymadığından, aktif malzemeleri yerleştirmek için daha fazla alan mevcut olup pil kapasitesi artar. Geliştirilmiş enerji yoğunluğu aynı zamanda pil ihtiyacının düşük kalmasını sağlayarak modül ve paket için optimum EV pil sistemi sağlar. 

Bu faydalar açısından pazar uzmanları, öncelikle katı hal pillerin, EV'lerin ICEV'lerle rekabet etmesinde ve sonunda yarışta öne geçmesinde ezber bozan bir unsur olarak ortaya çıkacağına inanıyor. Ancak bu, araştırmacıları katı hal pillerinin nasıl daha kullanışlı hale getirilebileceğini araştırmaktan alıkoymuyor. Böyle bir araştırmadaBilim adamları, Li2CO3'e dayanıklı garnet tipi katı elektrolit tarafından etkinleştirilen, yüksek enerji yoğunluğuna sahip ultra ince Li metal katı hal pilinin varlığını öne sürdüler. 

Tüm bunlar kulağa fazla teknik gelse de önümüzdeki bölümde araştırmanın neyi başarmayı amaçladığını daha derinlemesine inceleyeceğiz!

Yüksek Kararlılığa ve Enerji Yoğunluğuna Sahip Ultra İnce Lityum Metal Katı Hal Pil Platformu Sağlanıyor

POBTEK Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümünden Profesör Byoungwoo Kang ve Dr Abin Kim katı bir elektrolit geliştirdi Bu, yüksek stabilite ve enerji yoğunluğuna sahip ultra ince lityum metal katı hal pil platformuna olanak tanır.

Bu atılım, katı hal pillerinin karşılaştığı en yaygın endişe nedenlerinden birini çözerek sonuçlara ulaştı. Bu sorun neydi ve nasıl çözülebilirdi? Aşağıda buna derinlemesine bir göz atalım!

LLZO Endişesi

Kullanılan gamet tipi katı elektrolit katı hal pillerLi7La3Zr2O12 veya LLZO olarak da bilinen, yüksek iyonik iletkenliğe sahiptir. Aynı zamanda oldukça reaktiftir ve havaya maruz kaldığında yüzeyinde bir kirlilik tabakası (Li2CO3) oluşturur. Bu katman, hücre yapısında dirençli bir bariyerin oluşması, elektrolitlerin ve reaktanların temas ve arayüzey özelliklerinin azalması vb. dahil olmak üzere çeşitli dezavantajlar veya engellerle birlikte gelir. 

Yenilik bu engeli kaldırdı ve dışarıdan bir çare bulmak yerine işin özüne odaklanarak durumu tersine çevirdi. Araştırmacılar, LLZO'nun yüzey ve iç özelliklerini aynı anda geliştirebilen ve kirletici katmanların oluşumunu önleyebilen, hava ile kullanılabilen bir LLZO (AH-LLZO) teknolojisi geliştirdiler.

Malzemenin hem yüzeyinde hem de içinde yeni bir hidrofobik bileşik (Li-Al-O) geliştirerek hedeflerine ulaştılar. Bu bileşik, katmanın yalnızca havadaki nemle reaksiyona girmesini sağlayarak kirliliğin içeriye yayılmasını önledi. 

Geliştirilmiş temas ve ıslanabilirlik özelliklerine sahip bir çözüm olarak katman, aynı zamanda insan saçının kalınlığının yaklaşık onda biri kadar olan ultra ince lityum katı hal pillerinin geliştirilmesine de katkıda bulundu.

Yatırım yapılabilecek en iyi on akü stokunun listesi için buraya tıklayın.

Araştırma Neden Bir Atılım Olarak Değerlendiriliyor?

Sonuçlar, ultra ince lityum metal katmanların hazırlanmasının mümkün olduğu bir senaryoya yol açtı; bu da, katı hal pillerinde anotun katoda yetersiz kapasite oranının 0.176 civarında olmasına neden oldu. 

Deney aynı zamanda kullanılan lityum metali miktarında önemli bir azalmaya olanak tanıyarak genel pil ağırlığını ve hacmini azaltıyor ve enerji yoğunluğunu önemli ölçüde artırıyor. 

Uygulandığı takdirde araştırma ve bulguları, özel bir işleme veya tesise ihtiyaç duymadan havada depolamayı mümkün kılacak. Bu yenilik, tüm süreci basitleştirmenin yanı sıra, daha pratik kullanılabilirliğe sahip garnet tipi katı elektrolitlerin üretilmesine de yol açıyor. 

Gelecek hakkında konuşurken Profesör Byoungwoo Kang şunları söyledi:

Yüksek güvenlik ve yüksek enerji yoğunluğu sağlayabilen ultra ince lityum metal katı hal piller üzerinde çalışmaya devam edeceğiz” dedi.

Araştırma, temel unsurlara odaklanmanın, bir ürünün dezavantajlarını güçlü yanlarına dönüştürmemize yardımcı olabileceğini gösteriyor. İşletmeler ve ticari kuruluşlar, katı hal pillerini gelecekteki otomobiller için daha kullanışlı ve faydalı hale getirmek amacıyla araştırma ve kaynaklara yatırım yapıyor. Aşağıdaki segmentlerde bu tür şirketleri ve onların yeniliklerini inceliyoruz. 

# 1. Katı Güç

Bu alanda olağanüstü işler yapan şirketlerden biri de Solid Power'dır. Tamamen katı hal pilleri yüksek enerji, gelişmiş güvenlik, daha uzun ömür ve önemli maliyet avantajları sunar. 

Reaktif ve uçucu sıvı ve jel bileşenlerini ortadan kaldırarak güvenlik standartlarını artırırken, yüksek içerikli silikon ve lityum metal gibi daha yüksek kapasiteli elektrotların kullanılmasına olanak tanır. 

Sonuç, aşırı yüksek sıcaklıklara dayanabilen ve verimli bir şekilde performans gösterebilen pillerde açıkça görülmektedir. Şirket, ürünlerinin Li-ion paketlere göre %15-35 maliyet avantajına sahip olduğunu iddia ediyor. 

Solid Power'ın tamamen katı hal pil portföyü üç ana ürünü içerir: silikon EV Hücreleri, Lityum Metal hücreler ve Dönüşüm Reaksiyon Hücreleri. 

Silikon EV Hücresi

Yüksek şarj oranları ve daha düşük sıcaklık özellikleri sağlayan yüksek içerikli bir silikon anota sahiptir. Solid Power'ın tescilli sülfit bazlı katı elektrolitleri çözüme güç verir. Endüstri standardında, ticari açıdan olgun NMC Katotlarını kullanır. 

Lityum Metal

Ürün adını yüksek enerjili Lityum metal anotlarından almaktadır. 390 Wh/kg spesifikasyonuna sahip olan Silicon EV hücresinden, Lityum metal hücre ise 440 Wh/kg spesifikasyonuna göre giderek daha iyi bir kapasiteye sahiptir. 

Dönüşüm Reaksiyon Hücresi

Solid Power portföyündeki tüm ürünler arasında maksimum 560 Wh/kg performans kapasitesine sahiptir. Benzersizliği, ultra düşük maliyetli ve yüksek spesifik enerji dönüşüm tipi katottadır. 

Merkezi Colorado, Amerika Birleşik Devletleri'nde bulunan Solid Power, pillerinin dönüştürücü kapasitesine güçlü bir şekilde inanıyor. Tamamen katı hal pil hücrelerinin OEM'lerin hacim ve maliyet gereksinimlerini karşılayacağına inanıyor.

Mevcut en yeni yatırım destesinde, şirket (Nasdaq: SLDP), bugüne kadar 700 milyon ABD doları toplayan, halka açık tek gerçek katı hal pil geliştiricisi olduğunu iddia ediyor. Şirket, yaklaşık 50 küresel patent ailesi ve endüstri lideri üç geliştirme ortağıyla (BMW, Ford, SK On) sonuçlanan on yılı aşkın Ar-Ge yatırım geçmişiyle büyümektedir.

#2. Kuantum Manzarası

Alanın bir diğer büyük oyuncusu QuantumScape, 'enerji depolamasını katı hal lityum-metal pil teknolojisiyle dönüştürme' misyonunda olduğunu açıkladı. Aynı zamanda iddia ediyor mümkün kılmak 'daha yüksek enerji yoğunluğu, daha hızlı şarj ve gelişmiş güvenlik' – POBTEK araştırmasının da odaklandığı üç temel temel nitelik. 

Bir tanesi QuantumScape'in en dikkate değer öne çıkan özellikleri sahip olduğu endüstrinin ilk anotsuz hücre tasarımını geliştirdiBu da daha düşük malzeme maliyetleri ve basitleştirilmiş üretim ile yüksek enerji yoğunluğuna yol açar.

Quantumscape teknoloji platformu, günümüzün Nikel Manganez Kobalt (NMC) ve Lityum Demir Fosfat (LFP) bazlı pil hücrelerinin enerji yoğunluklarını önemli ölçüde iyileştirmek için çeşitli katot kimyalarını kullanır. Çabaları, çeşitli enerji depolama uygulamaları için optimizasyon sağlar ve alanı gelecekteki katot kimyası gelişmelerinden yararlanmaya hazır tutar. 

Şirketin bir diğer USP'si ise separatör malzemesidir. yapılmış Yüksek iletkenlik, lityum metaline karşı stabilite, dendrit oluşumuna karşı direnç ve düşük arayüzey empedansı sunan seramikler. Seramik kullanmanın bir başka avantajı da, yanmaz olması ve dolayısıyla hidrokarbon içeren ve yanmaya daha yatkın geleneksel polimer ayırıcılardan daha güvenli olması nedeniyle artırılmış güvenlik sağlamasıdır. 

QuantumScape, katı hal lityum-metal hücreleriyle 800-1,000 Wh/L hedefiyle çalışıyor.

Finansal olarak, QuantumScape (NYSE: QS) destekleniyor 2 milyar ABD dolarından fazla sermaye yatırımı ile. Kedisinde 300'den fazla patent ve patent başvurusu bulunmaktadır.

Katı Hal Pillerin Geleceği

Katı hal pilleri artık geleceğin teknolojisi değil as gelecek çoktan geldi. Birçok ileri teknoloji sınıfının en iyisi enstitülerden araştırma onu ilerletiyor çünkü her gün.

Örneğin Ocak 2024'te Harvard Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Okulu'ndan (SEAS) araştırmacılar, lityum metal içeren bir katı hal pili sundular. 6,000 şarj/deşarj döngüsü sağlama kapasitesine sahip—piyasadaki diğer torba pil hücrelerinden çok daha fazla.

Araştırma, makalemizin başında bahsettiğimize benzer; çünkü Harvard araştırmacıları, anot yüzeyinde oluşan dendritlerle ilgili tanıdık problemle de ilgilendiler. 

Solid Power ve QuantumScape gibi tartıştığımız uzmanlaşmış işlerin yanı sıra, bu alanda da büyük silahlar var. Örneğin Ekim 2023'te Toyota ve İdemitsu Kosan, bir ortaklık ilan etti. EV'ler için katı hal pilleri geliştirin.

Bu işbirliğini yönlendiren vizyon en hafif deyimle iddialıydı. Basın açıklamasında şu ifadelere yer verildi:

"Bu işbirliği sayesinde, tamamen katı hal pillerle ilgili malzeme geliştirme de dahil olmak üzere alanlarda dünyaya liderlik eden iki şirket, 2027-28'de tamamen katı hal pillerin başarılı bir şekilde ticarileştirilmesini sağlamayı hedefliyor - XNUMX'de açıklandığı gibi Toyota Teknik Atölyesi Haziran 2023'te - bunu tam ölçekli seri üretim takip edecek."

Bu alanda büyük atılım yapmaya karar veren bir diğer firma ise Honda oldu. Şirket bir süredir bu alanda faaliyet gösteriyor. Ocak 2024'te Honda yetkilileri bunun olduğunu söyledi. Ağırlıkta %50 azalma hedefliyoruz—veya başka bir deyişle, enerji yoğunluğunda ağırlığa göre %50'lik bir artış. 

Honda CEO'su Toshihiro Mibe, Honda'nın maliyeti 30,000 dolar olan bir araba yaratmak isterse katı hal pilleri düşünebileceğini, çünkü pil maliyetlerinin düşeceğini, menzilin artacağını ve soğutma sistemi basitleştirilebilir.

Ancak katı hal pillerini daha sağlam ve güvenli hale getirmeye yönelik küresel çabalar hâlâ bazı zorluklarla karşı karşıyadır. Amaç, güvenlik, stabilite, enerji performansı ve elektrokimyasal depolama verimliliği dahil olmak üzere temel özelliklerini optimize etmektir. Öte yandan engeller arasında uzun vadeli performansın sürdürülebilirliği, ekonomik sürdürülebilirlik ve belirli güç standartlarının doğru şekilde sağlanması yer alıyor. 

Daha derine inersek, zorlukların aynı zamanda anotlar, katotlar ve elektrolitlerdeki malzeme bozulması nedeniyle mevcut katı hal pillerindeki (SSB'ler) yetersiz döngü performansını da içerdiğini göreceğiz. Amerika Birleşik Devletleri Otomotiv Araştırma Konseyi %10 deşarj derinliğinde 1000 döngü ile 80 yıllık pil ömrü hedefi belirlemiştir. 

Katı hal pillerinin sıklıkla bu hedefe ulaşmasını engelleyen şey, yavaş arayüzey kinetiğine ve yüksek empedansa yol açan uzay yükü katmanlarının oluşması ve kısa devrelere ve güvenlik tehlikelerine neden olan dendritlerin büyümesidir. 

Ancak bu zorlukların çözümleri var. Üreticilerin yüksek enerji yoğunluklu SSB'ler ve iyileştirmeler üretmeye odaklanması gerekecek. Sonuçta bu ürünler yüksek termal stabiliteye sahiptir ve 200 °C'yi aşan sıcaklıklarda bile güvenlik endişelerini ortadan kaldırır; sıvı elektrolitler ise 70 °C'nin hemen üzerinde tehdit oluşturabilir. Katı hal elektrolitleri sızıntısız çalışma sunabilir ve sıvı muadillerine göre daha fazla elektrokimyasal stabilite sağlayabilir. 

Katı hal elektrolitleri, kapasite azalmasını ve dahili kısa devreleri azaltabildikleri için daha çok tercih edilir. Yüksek iyon iletkenlikleri ve düşük elektronik iletkenlikleri de araçların daha hızlı şarj edilmesini sağlar.

Göre QuantumScape'in tahminleri~350 Wh/L enerji yoğunluğuna sahip günümüzün önde gelen geleneksel lityum iyon hücrelerinden birini kullanarak tek şarjla yaklaşık 700 mil menzil elde eden bir araç, QuantumScape'in katı hal hücrelerini kullanarak 400 ila 500 mil menzile ulaşabilir. 

Genel olarak, katı hal piller gelecekteki mobilite için zorunludur. Verimli, güvenli, uygun maliyetli ve uzun ömürlü olmalıdırlar.

Ufuktaki katı hal pillerine rağmen neden şimdi bir EV satın almaya değer olduğunu öğrenmek için burayı tıklayın.