Apakah itu Bateri Keadaan -Pepejal?

Baiklah, sekarang pukul 11:47 malam pada hari Selasa dan saya baru sahaja menerima panggilan dengan pembekal di Shenzhen yang cuba menjual saya "bateri keadaan pepejal-revolusioner" yang sememangnya, 100% BUKAN bateri keadaan pepejal-. Ini adalah kali ketiga pada bulan ini. saya penat. Tetapi juga? Ini terus berlaku kerana tiada siapa yang benar-benar menerangkan perkara ini.

Jadi di sini kita pergi. Ambil kopi. Atau bir. Saya tidak menghakimi.

Cepat betul sebelum kita mula- latar belakang saya kerana orang selalu bertanya: Saya telah bermain-main dengan teknologi bateri sejak 2016, bekerja untuk dua syarikat yang muflis (masa yang menyeronokkan), berunding dengan tiga syarikat yang masih hidup (hampir tidak ada), dan sedang melakukan R&D untuk... mungkin saya tidak sepatutnya mengatakannya tetapi anda pernah mendengar tentangnya. Saya telah membakar diri saya dengan api litium dua kali. Jangan mengesyorkannya. 0/10 pengalaman.

Betul juga. Bateri telefon anda? Komputer riba? kereta elektrik? Semua mendapat cecair di dalam. Tidak seperti air-cecair, lebih seperti... cecair kimia pekat. Elektrolit organik. Bunyinya mewah tetapi pada asasnya ia adalah goo mudah terbakar yang membolehkan ion litium berenang ke sana ke mari antara sisi positif dan negatif.

berfungsi dengan baik! Sampai tak jadi. Kemudian ia terbakar.

Saya masih mempunyai Samsung Galaxy Note 7 dalam laci meja saya yang saya simpan sebagai peringatan. Jangan sekali-kali menghidupkannya semula selepas panggilan balik. Ia seperti pemberat kertas bahaya kebakaran kecil.

Bateri-keadaan pepejal=menggantikan cecair itu dengan pepejal.

Itu sahaja. Itulah keseluruhannya.

Bahagian pepejal boleh:

Bahan seramik (seperti kaca mewah tetapi lebih sukar untuk dibuat)

Rantai polimer (fikirkan plastik yang sangat padat tetapi tidak benar-benar plastik)

Sebatian sulfida (bau ini MENGERIKAN, seperti telur busuk kali seribu)

Oh dan fakta yang menyeronokkan saya belajar dengan cara yang sukar - sesetengah bahan ini bertindak balas dengan kelembapan di udara. Suka ganas. Kami mempunyai seorang pelajar siswazah pada tahun 2019 yang meninggalkan sampel elektrolit sulfida di atas bangku semalaman. Datang pada keesokan harinya, semuanya pada dasarnya telah berkarat. Bau seperti kematian. Kami tidak dapat menggunakan makmal itu selama seminggu.

solid-state batteries

Kawan, saya telah mendengar tentang-bateri keadaan pepejal sejak... 2015? 2014? Di suatu tempat di sekitar sana. Setiap tahun: "Hanya 3 tahun lagi!"

Ia telah menjadi meme dalam komuniti bateri. Seperti kuasa gabungan. Selalu 10 tahun lagi.

Tetapi okay ada ADA sebab sebenar untuk mengambil berat:

1. Mereka (mungkin) tidak akan meletup di muka anda

Tiada cecair=tiada cecair mendidih=tiada pembentukan tekanan=tiada ledakan.

Maksud saya mereka masih BOLEH gagal. Saya telah melihat ia berlaku. Tetapi bukannya bola api, anda lebih suka... ia berhenti berfungsi dan menjadi hangat. Jauh lebih baik! Saya menyaksikan prototaip keadaan pepejal-gagal semasa ujian tahun lepas dan pada dasarnya ia hanya membengkak sedikit dan mati. Dengan ion litium cair-kita perlu menguji di sebalik perisai letupan. Getaran yang berbeza.

2. Lebih banyak tenaga dalam ruang yang sama (sepatutnya)

Tuntutan itu liar. 50% lagi? 100% lagi? Siapa tahu. Di atas kertas matematik berfungsi. Dalam realiti? Kita akan lihat.

Toyota terus mengatakan bahawa mereka akan mempunyai bateri 900 batu menjelang 2027 atau 2028 atau sesuatu yang lain. Saya akan percaya apabila saya benar-benar memandu kereta. Sehingga itu ia adalah vaporware.

3. Mengecas lebih cepat (mungkin)

Sesetengah elektrolit seramik kononnya boleh mengendalikan arus yang lebih banyak tanpa merendahkan. Jadi seperti caj penuh 10 minit.

Pernahkah saya melihat kerja ini di makmal? Ya, sekali, pada bateri sel syiling sebesar lakaran kecil saya.

Pernahkah saya melihatnya berfungsi pada bateri bersaiz-kereta? Tidak. Tiada siapa yang mempunyai. Ini semua data simulasi dan ujian berskala-kecil.

4. Tahan lebih lama (kita fikir)

Tanpa terurai cecair, anda sepatutnya mendapat lebih banyak kitaran cas. Litium biasa-ion baik untuk 500-1000 kitaran bergantung pada cara anda merawatnya. Keadaan pepejal sepatutnya lebih baik.

Tetapi inilah perkara yang - kita sebenarnya belum TAHU lagi kerana tiada siapa yang menggunakannya selama 10 tahun. Tidak dapat menguji kebolehpercayaan jangka panjang-dalam makmal. Anda hanya perlu tunggu dan lihat.

Oh crap yeah saya mungkin perlu menjelaskan apa yang ada sekarang. buruk saya.

Litium Biasa-Ion (Apa Ada Dalam Segalanya)

Telefon anda, komputer riba, mungkin kereta anda jika ia elektrik

Tenaga: ~250-300 Wj/kg (iaitu watt-jam sekilogram, unit nerd)

Murah untuk dibuat sekarang kerana kami telah melakukannya selama-lamanya

Benar-benar akan terbakar jika anda menusuknya atau mengecasnya secara berlebihan

Saya menyimpan baldi pasir di makmal saya untuk berjaga-jaga

Bateri LFP (Lithium Iron Phosphate)

Lebih selamat, tidak akan terbakar walaupun anda mencuba

Kurang ketumpatan tenaga hingga - sekitar 160-180 Wj/kg

Berkekalan SELAMANYA seperti 3000+ caj

Lebih murah daripada jenis litium lain

Inilah yang saya rasa dalam model asas Tesla sekarang? Jangan petik saya tentang itu

NMC/NCA (Yang Mahal)

Nikel Mangan Kobalt atau Nikel Kobalt Aluminium

Prestasi tinggi, 250-280 Wj/kg

Menggunakan kobalt yang... ya ada isu buruh kanak-kanak di Congo, kekacauan lain

Lebih mahal

Prestasi yang lebih baik walaupun tidak akan berbohong

Keadaan Pepejal-(Makhluk Mitos)

TUNTUTAN 400-500 Wj/kg

Jauh lebih mahal sekarang

Pembuatan pada dasarnya adalah ilmu hitam pada ketika ini

Lebih selamat kononnya tetapi kami juga tidak mempunyai data yang mencukupi

Lihatlah, saya ragu-ragu tentang kebanyakan perkara tetapi keadaan pepejal-mempunyai kelebihan sebenar. Tidak akan berpura-pura sebaliknya.

Keselamatan adalah sah lebih baik.

Saya secara peribadi telah menguji kedua-dua jenis. Dengan litium-ion biasa kami memakai pelindung muka dan mempunyai alat pemadam api di mana-mana sahaja. Dengan prototaip-keadaan pepejal? Masih berhati-hati tetapi kurang tenaga "ini mungkin meletup".

Bulan lepas kami mempunyai litar pintas sel ujian. Keadaan pepejal-satu baru sahaja panas dan berhenti berfungsi. Jika itu adalah ion litium-biasa, kami pasti akan mengalami kebakaran.

Perkara saiz/berat adalah nyata JIKA mereka menghantar.

400 Wj/kg dalam pengeluaran adalah benar-benar revolusioner. Bateri EV anda mungkin mempunyai berat separuh daripada berat untuk julat yang sama. ATAU berat yang sama, gandakan julat.

Tetapi itu JIKA besar. Keputusan makmal tidak selalu diterjemahkan kepada pengeluaran. Neraka, mereka BIASANYA tidak menterjemah.

Prestasi suhu sepatutnya lebih baik.

Elektrolit pepejal berfungsi pada julat suhu yang lebih luas daripada cecair. Bateri kereta anda di musim sejuk Chicago pada -20 darjah F? Harus bekerja lebih baik. Musim panas Arizona pada 120 darjah F? Juga lebih baik.

Walaupun cerita yang menyeronokkan - sesetengah elektrolit seramik sebenarnya perlu sentiasa HANGAT untuk berfungsi dengan baik. Jadi anda memerlukan pemanas untuk bateri anda. Yang menggunakan kuasa. Macam kalah tujuan lol.

Tiada dendrit.

Ini di dalam besbol tetapi apa pun. Apabila anda mengecas bateri litium, pancang logam kecil yang dipanggil dendrit boleh tumbuh dari satu elektrod ke arah yang lain. Akhirnya mereka menembusi pemisah dan litar pintas bateri. Beginilah cara kebanyakan bateri-ion litium mati.

Elektrolit pepejal sepatutnya menghalang dendrit. Bahan keras, tidak boleh menembusi. Secara teori.

Dalam amalan? Eh. Kami telah melihat dendrit tumbuh melalui beberapa elektrolit pepejal. Sains bahan adalah sukar.

solid-state batteries

Baiklah sandarkan diri kerana di sinilah saya akan marahkan sesetengah orang.

Mereka hampir tidak bekerja sekarang.

Maaf! Memang betul! Kebanyakan bateri keadaan pepejal -"penerobosan" yang anda baca dalam siaran akhbar? Mereka bekerja selama 10 kitaran. Mungkin 50 jika anda bernasib baik. Dalam keadaan makmal yang sempurna. Tepat 25 darjah. Dengan angin sepoi-sepoi dari timur laut.

Bateri kereta anda perlu berfungsi untuk 1000+ kitaran di musim sejuk Minnesota dan musim panas Texas dan di mana-mana sahaja. Kami belum lagi rapat pada skala.

Saya menghadiri persidangan tahun lepas (Simposium Bateri di Orlando, Mac 2024) dan melihat pembentangan daripada syarikat permulaan yang menuntut 500 kitaran. Pergi ke gerai mereka selepas itu. Ditanya untuk butiran. Mereka menjadi senyap dengan cepat. Ternyata 500 kitaran itu berada pada kadar cas 0.1C dengan 4 jam antara pengecasan. Tidak berguna sama sekali untuk aplikasi sebenar.

Pembuatan adalah mimpi ngeri mutlak.

Kami telah menghabiskan 30+ tahun untuk memikirkan cara untuk menjadikan bateri lithium-ion murah dan boleh dipercayai. Kilang, peralatan, kawalan kualiti - semuanya didail masuk.

Keadaan pepejal-? Bermula dari awal.

Peralatan yang berbeza. Proses yang berbeza. Mod kegagalan yang berbeza. Semuanya lebih sukar.

Saya bercakap dengan seorang lelaki dari QuantumScape bulan lepas (kami berdua berada di bar lapangan terbang, dia suka minum 3 biji bir, cerewet) dan dia berkata masalah terbesar mereka bukanlah teknologi lagi. Ia sedang memikirkan cara membuat 10,000 bateri yang semuanya sama. Konsisten pada skala sangat SUKAR.

Masalah antara muka membunuh semua orang.

Ini teknikal tetapi penting: apabila elektrolit pepejal menyentuh elektrod pepejal, anda mendapat rintangan. Ia seperti cuba menghantar elektrik melalui dua permukaan kasar yang disatukan. Hubungan yang tidak bagus.

Dengan elektrolit cecair, cecair mengisi semua celah mikroskopik. Hubungan sempurna di mana-mana. Dengan pepejal-pada-pepejal? Tidak begitu banyak.

Orang ramai mencuba segala-galanya: salutan khas, mengenakan tekanan, memanaskannya, bahan baharu, lapisan korban, zon penampan. Tiada apa-apa yang berfungsi dengan sempurna. Setiap penyelesaian mencipta masalah baru.

Mereka retak dan itu sangat buruk.

Elektrolit pepejal seramik adalah rapuh. Apabila bateri dicas, ia membengkak sedikit. Pelepasan, mereka mengecut. Lakukan ini 1000 kali dan seramik anda boleh retak.

Satu retak kecil=bateri mati. Kelembapan masuk, prestasi menurun, permainan tamat.

Saya telah melihat sel keadaan pepejal-yang cantik yang berfungsi dengan sempurna untuk 50 kitaran, kemudian retak, kemudian berhenti berfungsi. Menyayat hati. Dan mahal.

Elektrolit polimer tidak mudah retak tetapi ia mempunyai kekonduksian ionik yang lebih rendah. Sentiasa tukar{1}}off.

Kosnya membuatkan saya mahu menangis.

Anggaran semasa meletakkan bateri keadaan pepejal-pada 10-20x ganda kos litium-ion biasa. Per kWj.

Ya, kos akan turun mengikut skala. Mereka selalu buat. Tetapi kita bercakap TAHUN pembangunan dan BERBILION dalam pelaburan modal sebelum kita mencapai pariti kos.

4680 sel Tesla berharga $100/kWj. Keadaan pepejal-mungkin $1000/kWj sekarang. Mungkin lebih. Tiada siapa yang menerbitkan nombor sebenar kerana ia memalukan.

Oh ya, ini akan menjadi kucar-kacir kerana terdapat seperti 50+ syarikat yang mendakwa mereka "bakal merevolusikan bateri" tetapi izinkan saya menumpukan pada siapa yang sebenarnya melakukan sesuatu:

QuantumScape- Mungkin yang paling jauh untuk aplikasi automotif. Menggunakan pemisah seramik. Disokong oleh VW dan Bill Gates. Stok mereka berubah dari seperti $130 kepada $10. Aduh. Tetapi mereka masih berfungsi dan telah menunjukkan beberapa keputusan ujian yang baik. Garis masa terus tergelincir walaupun yang... membimbangkan tetapi juga realistik? Saya tidak tahu bagaimana perasaan tentang mereka secara jujur.

Kuasa Pepejal- BMW dan Ford disokong. Elektrolit sulfida. Terakhir saya dengar mereka masih menghadapi masalah pembuatan. Garis masa mereka juga telah tergelincir. Garis masa semua orang tergelincir. Ia adalah hobi kegemaran industri bateri.

Samsung SDI- Mereka sebenarnya MEMPUNYAI bateri-pepejal dalam pengeluaran! Tetapi yang kecik. Untuk barang boleh pakai. Peranti perubatan. Boleh didengar (ya itu perkataan sekarang nampaknya). Barang bersaiz kereta-? Masih dalam pembangunan. Mereka mengatakan 2027. Saya katakan 2029-2030 secara realistik.

Toyota- Oh budak lelaki. Toyota telah menjanjikan kejayaan-bateri keadaan pepejal sejak sebelum saya mula bekerja dalam bidang ini. Mereka memfailkan lebih banyak paten daripada orang lain. Mereka membuat pengumuman besar setiap tahun. Namun... tiada produk.

SAYA MAHU mempercayai mereka. Mereka Toyota. Mereka tahu pembuatan. Tapi bodohkan saya sekali, buat malu. Bodohkan saya 47 kali...

Mereka berkata 2025, kemudian 2027, kini 2027-2028. Saya akan meletakkan wang pada minimum 2030.

Nissan- Menjadi lebih senyap mengenainya yang sebenarnya saya hormati. Katakan mereka akan mempunyai pengeluaran perintis menjelang 2024-2025. Garis masa yang lebih realistik daripada yang lain. Bekerja dengan NASA pada beberapa perkara yang saya fikir? Jangan petik saya.

CATL- Syarikat China, pembuat bateri terbesar di dunia. Apabila mereka bergerak, semua orang perasan. Mereka sedang berusaha dalam keadaan pepejal-tetapi SANGAT konservatif dengan ramalan. Yang membuatkan saya lebih mempercayai mereka sebenarnya. Mereka tahu skala pembuatan. Mereka tahu apa yang susah.

StoreDot- Permulaan Israel, tumpuan pengecasan pantas yang melampau. Demo yang keren. Penskalaan adalah persoalannya. Selalu soalan.

Terdapat juga Tenaga Faktorial, ProLogium, Bahan Ionik, Sakuu, Arus Biru, Ilika... berpuluh-puluh lagi. Kebanyakan akan gagal. Itulah cara ia berfungsi. Pemula bateri mempunyai kadar kejayaan seperti 5%.

Jawapan ringkas:Tidak.

Jawapan yang lebih panjang:Masih tidak, melainkan anda membeli prototaip EV dengan harga $500k+ atau beberapa bateri khusus kecil untuk peralatan perubatan.

Jawapan yang lebih panjang:Samsung mempunyai beberapa-bateri keadaan pepejal yang tersedia tetapi ia mahal dan kecil. Kita bercakap seperti bersaiz sel syiling. Tidak berguna untuk kebanyakan aplikasi.

Produk pengguna sebenar pertama dengan-keadaan pepejal mungkin ialah:

Telefon pintar premium- Samsung atau Apple akan mahukan hak bercakap besar. "Telefon bateri keadaan pepejal- pertama!" Pemasaran yang hebat. Mungkin 2026-2027.

EV pengeluaran terhad- Sesetengah jenama mewah akan menghasilkan 500 unit dengan bateri keadaan pepejal-. Kos $200k. Buktikan teknologi berfungsi. 2027-2028.

Basikal-e{1}}tinggi/skuter- Bateri yang lebih kecil menjadikannya lebih ekonomik dilaksanakan. 2026?

Pasaran besar-besaran? Lelaki yang saya tidak kenali. 2030 paling awal. Mungkin 2032-2035 selamat. Walaupun begitu, "pasaran besar-besaran" mungkin bermaksud "naik taraf pilihan untuk $10k."

Saya mungkin bersikap pesimis. Tetapi saya sudah terlalu banyak kali kecewa.

Sekarang ni? Persembahan PowerPoint kebanyakannya.

Tetapi serius:

Kereta Elektrik- Inilah perkara yang semua orang ambil berat tentang. 500+ jarak batu, pengecasan 10 minit, lebih ringan, lebih selamat. Benar-benar akan mengubah pasaran EV. JIKA ia berlaku.

Telefon dan Komputer riba- Bayangkan telefon anda bertahan 2 hari penuh dengan penggunaan berat. Atau menjadi separuh ketebalan. Atau tidak pernah mengalami situasi Samsung Note 7 lagi. Itulah impian.

Implan Perubatan- Di sinilah beberapa bateri-pepejal SUDAH digunakan! Perentak jantung memerlukan bateri yang 100% tidak akan gagal atau bocor di dalam badan anda. Keadaan pepejal-sempurna untuk ini. Bateri kecil, tidak perlu murah, keselamatan adalah segala-galanya.

Drone/Penerbangan- Pesawat elektrik memerlukan ketumpatan tenaga setinggi mungkin. Setiap gram penting. Keadaan pepejal-boleh menjadikan penerbangan elektrik benar-benar berdaya maju melebihi dron kecil.

Penyimpanan Grid- Mungkin? Tetapi secara jujur untuk simpanan pegun, berat tidak penting. LFP sudah murah dan cukup selamat. Sukar untuk ditewaskan pada kos. Keadaan pepejal-perlu mendapat harga yang SANGAT murah untuk bersaing di sini.

Saya sering ditanya ini. Di parti (jurutera bateri pergi ke parti okay), di persidangan, saudara rawak di Facebook.

Jawapan: Tidak. Jangan tunggu.

Jika anda mahukan EV sekarang, beli EV sekarang. EV semasa sangat bagus! Model 3, Ioniq 5, F-150 Lightning, semua pilihan padat. Teknologi yang terbukti. Kebolehpercayaan yang diketahui.

Pada masa EV keadaan pepejal{0}}mampu milik wujud:

Anda telah memacu EV semasa anda selama 5+ tahun sudah

Teknologi masih akan menjadi generasi pertama-dengan isu yang tidak diketahui

Mengecas infrastruktur akan menjadi lebih baik

Harga EV terpakai mungkin jatuh, siapa tahu

Jika anda bercadang untuk membeli pada akhir 2027 atau 2028? MAKA mungkin tunggu untuk melihat apa yang sebenarnya dikeluarkan. Tetapi jangan tangguhkan hidup anda.

Teknologi sentiasa bertambah baik. Selalu ada sesuatu yang lebih baik akan datang "tidak lama lagi." Tidak boleh menunggu selama-lamanya.

Saya menunggu untuk membeli TV 4K sehingga 2019. Tahu apa yang berlaku? Mereka menjadi lebih murah dan lebih baik. Tetapi saya juga tidak mempunyai TV 4K selama 6 tahun. Adakah ia berbaloi? Sejujurnya... tidak. Sepatutnya baru beli satu.

solid-state batteries

Okay bukan tipu. Tetapi mengelirukan.

Semua orang melemparkan nombor ketumpatan tenaga. "400 Wj/kg!" "500 Wj/kg!" "900 Wj/kg!"

Inilah perkara yang mereka tidak beritahu anda:

SEL litium-ion semasa: 250-300 Wj/kg
PEK{0}}ion litium semasa: 150-200 Wj/kg

Nampak perbezaannya? Pek ini termasuk selongsong, penyejukan, pendawaian, sistem pengurusan bateri. Seperti 30-40% daripada berat pek bateri bukan bateri.

Tuntutan CELL keadaan pepejal-: 400-500 Wj/kg
Realiti-keadaan pepejal: Siapa tahu? 250-350 Wj/kg mungkin?

Jadi apabila Toyota berkata "dua kali ganda ketumpatan tenaga!" mereka membandingkan-nombor sel kes terbaik dengan nombor pek semasa. Bukan epal kepada epal.

Peningkatan sebenar pada tahap pek mungkin akan menjadi 50-75%. Yang masih hebat! Hebat sungguh! Tetapi bukan revolusi pemasaran yang dimaksudkan.

Juga ketumpatan tenaga bukanlah segala-galanya. Ketumpatan kuasa penting (berapa cepat anda menyahcas). Kitaran hidup penting. Prestasi suhu. Kos setiap kWj paling penting untuk penggunaan besar-besaran.

Bateri yang berharga $2000/kWj dengan 500 Wh/kg adalah lebih teruk daripada bateri yang berharga $100/kWj dengan 250 Wh/kg. Untuk kebanyakan aplikasi pula.

Jika anda seorang yang biasa:Lupakan keadaan pepejal-wujud buat masa ini. Beli apa sahaja yang anda perlukan dengan teknologi semasa. Ia berfungsi dengan baik.

Jika anda membeli EV pada 2025-2026:Beli sekarang dengan litium-ion semasa. Jangan tunggu. EV masa depan yang sempurna tidak akan datang tidak lama lagi.

Jika anda seorang pelabur:Ini berisiko tinggi, ganjaran tinggi. Saya akan bertaruh pada pemain yang sudah mapan (Samsung, Toyota, CATL) berbanding pemula. Tetapi itu hanya saya. Saya mengambil risiko-elak kerana saya telah melihat terlalu banyak pemula bateri ranap dan terbakar. Secara harfiah dalam satu kes.

Jika anda seorang jurutera:Masuk ke bidang ini! Ia mengecewakan tetapi sangat mengujakan. Hanya bersedia untuk kemajuan yang perlahan dan banyak jalan buntu.

Jika anda bercadang untuk membeli pada 2027-2028:Mula memberi perhatian kepada siapa yang sebenarnya menyampaikan berbanding siapa yang baru membuat pengumuman. Wang saya ada pada Samsung dan mungkin Nissan.

Apa yang TIDAK boleh dilakukan:Jangan beli "bateri keadaan pepejal-tersedia sekarang!" daripada laman web lakaran. Mereka berbohong. Jika ia benar, ia akan berada di saluran berita utama dan daripada pengeluar utama.

Oh dan satu lagi: Jika anda memerlukan bateri SEKARANG dan mahukan sesuatu antara litium-ion biasa dan impian keadaan pepejal-? Lihat ke dalambateri polimer litium. Ia bukan keadaan pepejal-tetapi jauh lebih selamat daripada li-piawai, jangan bocor dan anda boleh mendapatkannya hari ini. Digunakan dalam banyak barangan RC dan beberapa telefon. Tidak revolusioner tetapi sebenarnya tersedia lol.