Lithium-ionbatterij versus solid-state batterij

Lithium-ionbatterij versus solid-state batterij

Lithium-ionbatterijen en solid-state batterijen zijn twee belangrijke opties voor het voeden van draagbare elektronische apparaten. Deze twee soorten batterijen hebben duidelijke voor- en nadelen. Hier is een overzicht van elk. Als u niet zeker weet welk type beter is, lees dan verder.

Solid-state batterijen

Hoewel lithium-ionbatterijen niet nieuw zijn, staat de technologie nog in de kinderschoenen. Toyota doet nu bijvoorbeeld experimenteel onderzoek op dit gebied om concurrerend te blijven op de EV-markt. Volkswagen is ook gaan samenwerken met kleine technologiebedrijven om solid-state batterijen voor autotoepassingen te ontwikkelen.

Solid-state batterijen hebben het potentieel om de interne structuur en verpakking van de batterij te vereenvoudigen. Dit zou de productiekosten kunnen verlagen. De onderzoekers zullen dit potentiële gebruik onderzoeken door differentiaalvergelijkingen te gebruiken om solid-state batterijen te modelleren. Om te beginnen gaan de onderzoekers de gepubliceerde literatuur over batterijmodellen bestuderen. Met de resulterende modellen kunnen ze de prestatiekenmerken van de solid-state batterij bepalen.

De Li-ionbatterij heeft een tweefasig ontwerp, waarbij een of meer vaste elektrolyten de vloeistof van de vaste stof scheiden. Dit ontwerp heeft verschillende voordelen. Het gebruik van een hybride elektrolyt biedt extra voordelen, zoals verbeterde stabiliteit over langere perioden. Een vast polymeer elektrolyt heeft ook voordelen ten opzichte van puur vloeibaar elektrolyt.

Solid-state lithium-ionbatterijen kunnen grote hoeveelheden energie opslaan, waardoor ze een goede kandidaat zijn voor toekomstige energieopslagapparaten. Deze batterijen hebben een hogere energiedichtheid en superieure veiligheidsprestaties. Hun grootste uitdaging ligt op het grensvlak tussen de vaste elektrolyt en de elektrode. Het is belangrijk om te begrijpen hoe de interfacelaag wordt gevormd en hoe dit probleem kan worden opgelost.

Lithium-ion batterijen

Vergeleken met solid-state batterijen zijn lithium-ionbatterijen lichtgewicht, duurzaam en kunnen ze beter presteren in stapelbare verpakkingen. Ze kunnen echter onstabiel zijn en kunnen exploderen of brand veroorzaken als ze worden blootgesteld aan hoge temperaturen. Dat gezegd hebbende, lithium-ionbatterijen zijn de veiligste en meest betrouwbare optie voor e-mobiliteit.

Naarmate elektrische voertuigen steeds populairder worden, richt de industrie zich op het verbeteren van de batterijprestaties. Hoewel lithium-ionbatterijen lange tijd de dominante optie zijn geweest, kunnen nieuwere solid-state batterijen binnenkort het voortouw nemen in EV-technologie. Solid-state batterijen hebben een hogere energiedichtheid en kunnen de actieradius van het voertuig met vijftig tot honderd procent vergroten.

Lithium-ionbatterijen bevatten vloeibare elektrolyten, terwijl solid-state batterijen zijn samengesteld uit vaste materialen. Het belangrijkste verschil tussen de twee typen ligt in de manier waarop de elektrolyten worden opgeslagen. Solid-state batterijen zijn stabieler dan lithium-ionbatterijen en kunnen tot 2.5 keer krachtiger zijn dan hun vloeibare tegenhangers.

Solid-state batterijen kunnen duurder zijn dan lithium-ionbatterijen. Het is ook bekend dat ze last hebben van kortsluiting. Dit komt door het feit dat hun lithiummetaaldeeltjes zich aan één kant van de batterij kunnen ophopen. Deze dendriet zal de separator doorboren en kortsluiting veroorzaken.

Lithium-ionbatterijen bevatten vloeibare elektrolyten, die vluchtig en ontvlambaar kunnen zijn. Solid-state batterijen bevatten geen vloeibare componenten, dus ze hebben een lager brandrisico dan lithium-ionbatterijen. Ze vereisen ook minder veiligheidssystemen dan lithium-ionbatterijen. Solid-state batterijen bieden ook een hogere energiedichtheid.

Vloeibare-ionbatterijen

Vloeibare-ionbatterijen zijn een uitstekende keuze voor elektrische voertuigen omdat ze gemakkelijk kunnen worden opgeslagen en ontladen. Ze hebben echter enkele nadelen. Lithium-ionbatterijen kunnen een aandoening ontwikkelen die thermische runaway wordt genoemd, die ontstaat wanneer een enkele cel in de batterij begint op te warmen en ervoor zorgt dat de andere cellen in het pakket dit voorbeeld volgen. Uiteindelijk veroorzaakt dit een brand in het batterijpakket, die moeilijk te blussen kan zijn. Lithium-ionbatterijen hebben ook de neiging om elektrolyt te lekken, wat zeer ontvlambaar is. Daarom moeten deze batterijen worden opgeladen voordat ze worden gebruikt.

Solid-state batterijen hebben ook hun nadelen. Hoewel ze veel lichter en compacter zijn dan lithium-ionbatterijen, zijn ze niet zo duurzaam als traditionele batterijen. Ook zijn ze minder efficiënt bij extreme temperaturen, waardoor ze minder bruikbaar zijn voor voertuigen. Bovendien kunnen ze onstabieler zijn en brand en explosies veroorzaken.

Solid-state batterijen hebben ook het voordeel dat ze energierijker zijn. Ze hebben twee of drie keer de energiedichtheid van lithium-ionbatterijen. Dit betekent dat ze kleiner en lichter zouden zijn, wat gunstig zou kunnen zijn voor de consument. Ook kunnen ze EV's een groter bereik geven. Dit kan een goede zaak zijn voor het milieu.

Solid-state batterijen bieden ook een grotere capaciteit. Hoewel ze zich nog in de experimentele fase bevinden, kunnen ze meer energie opslaan dan hun tegenhangers met vloeibare ionen. Sommige autofabrikanten, waaronder Toyota en Volkswagen, investeren enorme bedragen in de ontwikkeling van solid-state batterijen voor voertuigen. Sommige van deze bedrijven zijn nu van plan om deze technologie tegen het einde van 2024 op de massamarkt te brengen.

Elektrolyt in een lithium-ionbatterij

Wetenschappers zijn nog steeds op zoek naar de perfecte lithium-ionbatterij. Ze willen dat het een hoge energiedichtheid heeft en ook veilig te gebruiken is. Veel batterijen die momenteel in gebruik zijn, bevatten vloeibare elektrolyten die ontvlambaar kunnen zijn. Solid-state lithium-ionbatterijen zijn volledig gemaakt van vaste componenten en kunnen veiliger in gebruik zijn. Nieuw onderzoek heeft geleid tot de ontwikkeling van een nieuwe vaste elektrolyt.

Een voordeel van solid-state batterijen zijn hun prestaties bij lage temperaturen. Vloeibare elektrolyten kunnen geen hoge temperaturen verdragen, maar vaste elektrolyten wel. De vaste elektrolyt ondersteunt ook snel opladen zonder degradatie. Het kost ook minder materiaal en energie om te maken. Solid-state batterijen kunnen alleen worden bewezen als ze in massa kunnen worden geproduceerd.

Solid-state lithiumbatterijen hebben een vergelijkbaar extractiemechanisme als lithium-ionbatterijen. De elektroden zijn gemaakt van metaal en de elektrolyt is een vloeibaar of vast materiaal. Lithium-ionen bewegen door de elektrolyt, waardoor een elektrische stroom ontstaat.

Vaste elektrolyten hebben geen afscheider nodig.

Een ander nadeel van solid-state batterijen zijn hun hoge kosten. Hoewel ze goedkoper zijn dan batterijen in vloeibare toestand, worden ze nog niet in massa geproduceerd. De vaste elektrolyt moet chemisch inert zijn en een goede ionengeleider tussen de twee elektroden. Het andere nadeel van solid-state batterijen is dat ze een kortere levenscyclus hebben dan hun tegenhangers in vloeibare toestand.

Anode in een lithium-ionbatterij

Er wordt aangenomen dat solid-state lithiumbatterijen een lager brandrisico hebben en minder veiligheidsuitrusting vereisen. Ze hebben ook het voordeel dat ze lithium-metaalanoden kunnen gebruiken voor een hoge energiedichtheid. Momenteel onderzoeken en ontwikkelen meer dan vijftig bedrijven solid-state batterijen. Sommigen hebben zelfs aangegeven dat ze gepatenteerde solid-state elektrolyttechnologieën ontwikkelen. Ook autofabrikanten en grote batterijfabrikanten hebben geïnvesteerd in deze nieuwe technologie.

Een groot nadeel van solid-state batterijen is de grensvlakinstabiliteit van de elektrode en elektrolyt. Dit leidt tot een interfacelaag die gepassiveerd is en de diffusie van Li+ over de elektrode-SSE-interface belemmert. Bovendien kan hoogspanningscycli de SSE degraderen, waardoor deze oxideert.

Grafiet heeft in het verleden gediend als anode voor lithium-ionbatterijen, maar startende bedrijven ontwikkelen nu alternatieven die beter presteren. Silicium, een veelgebruikt primair materiaal dat wordt gebruikt in lithium-ionbatterijen, heeft een veel hogere energiedichtheid per volume dan grafiet.

Lithium-metaalanoden komen ook beschikbaar voor solid-state lithiumbatterijen. Lithium-metaalanoden kunnen worden vervaardigd met een hoge energiedichtheid en verhoogde capaciteit.