סוללות במצב מוצק: מסלול הסוללות של הדור הבא

סוללות במצב מוצק: מסלול הסוללות של הדור הבא

ב-14 במאי, לפי "The Korea Times" ודיווחים אחרים בתקשורת, סמסונג מתכננת לשתף פעולה עם יונדאי כדי לפתח רכבים חשמליים ולספק סוללות חשמל וחלקי רכב מחוברים אחרים לרכבים חשמליים של יונדאי. התקשורת צופה שסמסונג ויונדאי יחתמו בקרוב על מזכר הבנות לא מחייב לגבי אספקת הסוללות. דווח כי סמסונג הציגה את סוללת המצב המוצק האחרונה שלה ליונדאי.

לפי סמסונג, כאשר אב הטיפוס שלה טעונה במלואה, היא יכולה לאפשר למכונית חשמלית לנסוע יותר מ-800 קילומטרים בכל פעם, עם חיי מחזור של יותר מ-1,000 פעמים. נפחו קטן ב-50% מסוללת ליתיום-יון באותה קיבולת. מסיבה זו, מצברים מוצקים נחשבים לסוללות הכוח המתאימות ביותר לרכב חשמלי בעשר השנים הקרובות.

בתחילת מרץ 2020, מכון סמסונג למחקר מתקדם (SAIT) ומרכז המחקר של סמסונג של יפן (SRJ) פרסמו במגזין "טבע אנרגיה" את "סוללות מתכת ליתיום מוצקות לרכיבה ארוכה באנרגיה גבוהה. -אנודות פחמן קומפוזיט" הציגו את הפיתוח האחרון שלהם בתחום סוללות המצב המוצק.

סוללה זו משתמשת באלקטרוליט מוצק, שאינו דליק בטמפרטורות גבוהות ויכול גם לעכב את הצמיחה של דנדריטים ליתיום כדי למנוע ניקוב קצר חשמלי. בנוסף, הוא משתמש בשכבת כסף-פחמן (Ag-C) מרוכבת כאנודה, שיכולה להגדיל את צפיפות האנרגיה ל-900Wh/L, בעלת חיי מחזור ארוכים של יותר מ-1000 מחזורים, ויעילות קולומבית גבוהה מאוד (טעינה ויעילות פריקה) של 99.8%. זה יכול להניע את הסוללה לאחר תשלום בודד. המכונית נסעה 800 קילומטרים.

עם זאת, SAIT ו-SRJ שפרסמו את המאמר הם מוסדות מחקר מדעיים ולא Samsung SDI, המתמקדת בטכנולוגיה. המאמר רק מבהיר את העיקרון, המבנה והביצועים של הסוללה החדשה. הערכה ראשונית היא שהסוללה עדיין בשלב מעבדה ותהיה קשה לייצור המוני תוך תקופה קצרה.

ההבדל בין סוללות מצב מוצק לסוללות ליתיום-יון נוזליות מסורתיות הוא שמשתמשים באלקטרוליטים מוצקים במקום אלקטרוליטים ומפרידים. אין צורך להשתמש באנודות גרפיט משולב ליתיום. במקום זאת, ליתיום מתכת משמש כאנודה, מה שמפחית את מספר חומרי האנודה. סוללות מתח עם צפיפות אנרגית גוף גבוהה יותר (>350Wh/kg) וחיים ארוכים יותר (>5000 מחזורים), כמו גם פונקציות מיוחדות (כגון גמישות) ודרישות אחרות.

סוללות המערכת החדשות כוללות סוללות מצב מוצק, סוללות זרימת ליתיום וסוללות מתכת-אוויר. לשלוש סוללות המצב המוצק יש את היתרונות שלהן. אלקטרוליטים פולימרים הם אלקטרוליטים אורגניים, ותחמוצות וסולפידים הם אלקטרוליטים קרמיים אנאורגניים.

כשמסתכלים על חברות הסוללות העולמיות, יש סטארט-אפים ויש גם יצרנים בינלאומיים. החברות נמצאות לבד במערכת האלקטרוליטים עם אמונות שונות, ואין מגמה של זרימה או אינטגרציה טכנולוגית. נכון לעכשיו, כמה מסלולים טכניים קרובים לתנאי התיעוש, והדרך לאוטומציה של סוללות מוצק כבר בעיצומה.

חברות אירופאיות ואמריקאיות מעדיפות מערכות פולימר ותחמוצת. חברת Bolloré הצרפתית לקחה את ההובלה במסחור של סוללות מוצק מבוססות פולימרים. בדצמבר 2011 נכנסו לשוק המכוניות המשותפות כלי הרכב החשמליים שלה המונעים על ידי סוללות פולימר מוצק של 30kWh + קבלים דו-שכבתיים חשמליים, שזו הייתה הפעם הראשונה בעולם. סוללות מוצק מסחריות עבור רכבי EV.

Sakti3, יצרנית סוללות מוצק תחמוצת סרט דק, נרכשה על ידי ענקית מכשירי החשמל הביתית הבריטית דייסון בשנת 2015. היא כפופה לעלות הכנת הסרט הדק ולקושי בייצור בקנה מידה גדול, ולא הייתה מסה מוצר ייצור במשך זמן רב.

התוכנית של מקסוול לסוללות מצב מוצק היא להיכנס תחילה לשוק הסוללות הקטנות, לייצר אותן המוני ב-2020, ולהשתמש בהן בתחום אגירת האנרגיה ב-2022. למען היישום המסחרי המהיר, מקסוול עשוי לשקול תחילה לנסות חצי- סוללות מוצקות בטווח הקצר. ובכל זאת, סוללות מוצקות למחצה הן יקרות יותר והן משמשות בעיקר בתחומי ביקוש מסוימים, מה שמקשה על יישומים בקנה מידה גדול.

למוצרי תחמוצת שאינם סרט דק יש ביצועים כלליים מצוינים והם פופולריים כיום בפיתוח. גם טייוואן הויננג וגם ג'יאנגסו צ'ינגדאו הם שחקנים ידועים במסלול הזה.

חברות יפניות וקוריאניות מחויבות יותר לפתור את בעיות התיעוש של מערכת הגופרית. חברות מייצגות כמו טויוטה וסמסונג האיצו את הפריסה שלהן. סוללות סולפיד מצב מוצק (סוללות ליתיום גופרית) הן בעלות פוטנציאל פיתוח אדיר בשל צפיפות האנרגיה הגבוהה והעלות הנמוכה שלהן. ביניהם, הטכנולוגיה של טויוטה היא המתקדמת ביותר. הוא שיחרר סוללות הדגמה ברמת אמפר וביצועים אלקטרוכימיים. במקביל, הם השתמשו גם ב-LGPS עם מוליכות גבוהה יותר בטמפרטורת החדר בתור אלקטרוליט כדי להכין מארז סוללות גדול יותר.

יפן השיקה תוכנית מחקר ופיתוח ארצית. הברית המבטיחה ביותר היא טויוטה ופנסוניק (לטיוטה יש כמעט 300 מהנדסים המעורבים בפיתוח סוללות מוצק). היא אמרה שהיא תמסחר סוללות מוצק בתוך חמש שנים.

תוכנית המסחור של מצברים מוצקים שפותחו על ידי טויוטה ו-NEDO מתחילה בפיתוח של מצברים מוצקים (סוללות מהדור הראשון) תוך שימוש בחומרים מזיקים מסוג LIB אופטימיים ומזיקים. לאחר מכן, הוא ישתמש בחומרים חיוביים ושליליים חדשים כדי להגדיל את צפיפות האנרגיה (סוללות הדור הבא). טויוטה צפויה לייצר אבות טיפוס של רכבים חשמליים במצב מוצק בשנת 2022, והיא תשתמש בסוללות במצב מוצק בדגמים מסוימים בשנת 2025. בשנת 2030, צפיפות האנרגיה יכולה להגיע ל-500Wh/kg כדי להשיג יישומי ייצור המוני.

מנקודת מבט של פטנטים, בין 20 מבקשי הפטנטים המובילים על סוללות ליתיום מוצק, חברות יפניות היוו 11. טויוטה הגישה את המועמדות הגבוהה ביותר, והגיעה ל-1,709, פי 2.2 מזה של Panasonic השנייה. 10 החברות המובילות הן כולן יפניות ודרום קוריאניות, כולל 8 ביפן ו-2 בדרום קוריאה.

מנקודת המבט של פריסת הפטנטים הגלובלית של בעלי הפטנטים, יפן, ארצות הברית, סין, דרום קוריאה ואירופה הן המדינות או האזורים המרכזיים. בנוסף לבקשות מקומיות, לטויוטה יש את המספר המשמעותי ביותר של בקשות בארצות הברית ובסין, המהווה 14.7% ו-12.9% מסך הבקשות לפטנטים, בהתאמה.

גם התיעוש של סוללות מצב מוצק במדינה שלי נמצא בחקירה מתמדת. על פי תוכנית המסלול הטכנית של סין, בשנת 2020, היא תממש בהדרגה אלקטרוליט מוצק, סינתזת חומרי קתודה באנרגיה בעלת אנרגיה גבוהה וטכנולוגיית בניית מבנה מסגרת תלת מימדית של סגסוגת ליתיום. הוא יזהה ייצור דגימת סוללה בודדת של 300Wh/kg בקיבולת קטנה. בשנת 2025, טכנולוגיית בקרת ממשק סוללה במצב מוצק תממש 400Wh/kg בקיבולת גדולה של דגימת סוללה יחידה וטכנולוגיית קבוצה. צפוי שסוללות מצב מוצק וסוללות ליתיום גופרית ניתנות לייצור המוני ולקידום ב-2030.

סוללות הדור הבא בפרויקט גיוס התרומות של CATL כוללות סוללות מוצק. לפי דיווחי NE Times, CATL מצפה להשיג ייצור המוני של סוללות מוצק עד 2025 לפחות.

בסך הכל, טכנולוגיית מערכת הפולימר היא הבוגרת ביותר, והמוצר הראשון ברמת EV נולד. האופי הרעיוני והצופה פני עתיד שלו גרם להאצת ההשקעה במחקר ופיתוח על ידי מגיעים מאוחרים, אבל הגבול העליון של הביצועים מגביל את הצמיחה, ושילוב עם אלקטרוליטים מוצקים אנאורגניים יהיה פתרון אפשרי בעתיד; חִמצוּן; במערכת החומרים, הפיתוח של סוגי סרט דק מתמקד בהרחבת קיבולת ובייצור בקנה מידה גדול, והביצועים הכוללים של סוגי סרטים שאינם סרטים טובים יותר, שהם במוקד המחקר והפיתוח הנוכחיים; מערכת הסולפיד היא מערכת הסוללות המוצקה המבטיחה ביותר בתחום הרכב החשמלי, אך במצב מקוטב עם מקום עצום לצמיחה וטכנולוגיה לא בשלה, פתרון בעיות אבטחה ובעיות ממשק הוא מוקד העתיד.

האתגרים העומדים בפני סוללות מצב מוצק כוללים בעיקר:

• הפחתת עלויות.
• שיפור הבטיחות של אלקטרוליטים מוצקים.
• שמירה על מגע בין אלקטרודות ואלקטרוליטים במהלך טעינה ופריקה.

סוללות ליתיום גופרית, ליתיום אוויר ועוד מערכות צריכות להחליף את כל מסגרת מבנה הסוללה וישנן יותר ויותר בעיות משמעותיות. האלקטרודות החיוביות והשליליות של סוללות מוצק יכולות להמשיך להשתמש במערכת הנוכחית, וקושי המימוש זעיר יחסית. כטכנולוגיית הסוללות של הדור הבא, לסוללות מצב מוצק יש בטיחות וצפיפות אנרגיה גבוהה יותר והן יהפכו לדרך היחידה בעידן הפוסט-ליתיום.