Conţinut

• Economisirea de spațiu
• Viața mai lungă se întinde
• Tipuri de electroliți în stare solidă
• Baterii cu film subțire
• Baterii mai mari, mai voluminoase
• Foarte conductiv
• Învelire

Cu câteva săptămâni în urmă, Kris ne-a prezentat subiectul bateriilor cu stare solidă și cum ar putea fi următorul progres major în tehnologia bateriilor pentru smartphone-uri. Pe scurt, bateriile cu stare solidă sunt mai sigure, pot ambala mai mult suc și pot fi utilizate pentru dispozitive chiar mai subțiri. Din păcate, sunt prohibitiv de scumpe să fie introduse în celule smartphone de dimensiuni medii chiar acum, dar acest lucru s-ar putea schimba în următorii ani.

Așadar, dacă v-ați întrebat care este exact o baterie cu stare solidă și cum este diferită de celulele cu litiu-ion de astăzi, citiți mai departe.

Diferența cheie între bateria litiu-ion obișnuită și bateria cu stare solidă este că prima folosește o soluție electrolitică lichidă pentru a regla fluxul de curent, în timp ce bateriile cu stare solidă optează pentru un electrolit solid. Electrolitul bateriei este un amestec chimic conductor care permite curgerea curentului între anod și catod.

Bateriile cu stare solidă funcționează în același mod ca bateriile actuale, dar schimbarea materialelor modifică unele dintre atributele bateriei, inclusiv capacitatea maximă de stocare, timpii de încărcare, dimensiunea și siguranța.

Curentul din interiorul bateriei trece între anod și catod printr-un electrolit conductor, în timp ce separatoarele sunt utilizate pentru a preveni un scurtcircuit.

Economisirea de spațiu

Avantajul imediat al trecerii de la un electrolit lichid la solid este că densitatea energetică a bateriei poate crește. Acest lucru se datorează faptului că în loc să necesite separatoare mari între celulele lichide, bateriile în stare solidă necesită doar bariere foarte subțiri pentru a preveni un scurtcircuit.

Bateriile cu stare solidă pot avea o energie de două ori mai mare decât Li-ionul

Separatoarele convenționale de baterii îmbibate cu lichid au o grosime de 20-30 microni. Tehnologia în stare solidă poate scăpa separatoarele până la 3-4 microni, fiecare economisind spațiu de 7 ori doar prin comutarea materialelor.

Cu toate acestea, aceste separatoare nu sunt singura componentă din baterie și alte biți nu pot reduce atât de mult, punând o limită la potențialul de economisire a spațiului al bateriilor cu stare solidă.

Chiar și așa, bateriile cu stare solidă pot împacheta până la de două ori mai multă energie decât Li-ionul, atunci când înlocuiesc anodul cu o alternativă mai mică.

Viața mai lungă se întinde

Electroliții cu stare solidă sunt de obicei mai puțin reactivi decât lichidul sau gelul de astăzi, astfel încât se poate aștepta să dureze mult mai mult și nu vor avea nevoie să fie înlocuiți după doar 2 sau 3 ani. Acest lucru înseamnă, de asemenea, că aceste baterii nu vor exploda și nu vor lua foc dacă sunt deteriorate sau suferă de defecte de fabricație, ceea ce înseamnă produse mai sigure pentru consumatori.

Bateriile cu stare solidă nu vor exploda sau vor lua foc dacă sunt deteriorate sau suferă de defecte de fabricație.

În smartphone-urile actuale, bateriile înlocuibile sunt deseori căutate pentru cei care doresc să utilizeze același telefon timp de mai mulți ani, deoarece pot fi schimbați odată ce încep să se defecteze.

De multe ori, bateriile pentru smartphone-uri nu își mai țin încărcarea după un an și chiar pot face ca hardware-ul să devină instabil, să se reseteze sau chiar să înceteze să funcționeze după câțiva ani de utilizare. Cu baterii cu stare solidă, smartphone-urile și alte dispozitive ar putea dura mult mai mult fără a avea nevoie de o celulă de înlocuire.

Există o mulțime de compuși chimici solizi care ar putea fi folosiți în baterii, nu doar unul.

Vorbirea de baterii lichide versus solide este o simplificare a subiectului, cu toate că există o mulțime de compuși chimici solizi care ar putea fi folosiți în baterii, nu doar una.

Tipuri de electroliți în stare solidă

Există opt categorii majore diferite de baterii cu stare solidă, care utilizează fiecare materiale diferite pentru electrolit. Este vorba de Li-Halide, Perovskite, Li-Hydride, NASICON, Garnet, Argyrodite, LiPON și LISICON.

Deoarece ne ocupăm în continuare de o tehnologie în curs de dezvoltare, cercetătorii continuă să se confrunte cu cele mai bune tipuri de electrolit în stare solidă pe care să le folosească pentru diferite categorii de produse. Nici unul nu a ieșit ca lideri clari până acum, dar celulele pe bază de sulfură, LiPON și Garnet sunt în prezent considerate cele mai promițătoare.

Probabil că ați observat că multe dintre aceste tipuri sunt încă pe bază de litiu (Li), într-o anumită privință, deoarece încă folosesc electrozi de litiu. Dar mulți optează pentru noi materiale cu anoduri și electrozi pentru a îmbunătăți performanța.

Baterii cu film subțire

Chiar și în cadrul tipurilor de baterii cu stare solidă, există două subtipuri clare de tăiere - film subțire și vrac. Unul dintre cele mai de succes tipuri de filme subțiri care există deja pe piață este LiPON, pe care majoritatea producătorilor îl produc cu un anod de litiu.

Electrolitul LiPON oferă atribute excelente de greutate, grosime și chiar flexibilitate, ceea ce îl face un tip de celule promițătoare pentru electronice și dispozitive care pot fi purtate care necesită celule mici. Revenind la subiectul celulelor de durată mai lungă, LiPON a demonstrat, de asemenea, o stabilitate excelentă, cu o reducere a capacității de doar 5% după 40.000 de cicluri de încărcare.

Bateriile LiPON ar putea dura oriunde de la 40 până la 130 de ori mai mult decât bateriile Li-ion înainte de a avea nevoie de înlocuire.

Pentru comparație, bateriile cu ioni de litiu oferă doar între 300 și 1000 de cicluri înainte de a arăta o cădere similară sau mai mare a capacității. Acest lucru înseamnă că bateriile LiPON ar putea dura oriunde de la 40 până la 130 de ori mai mult decât bateriile Li-ion înainte de a avea nevoie de înlocuire.

Dezavantajul LiPON este că capacitatea sa de stocare a energiei totale și conductivitatea sunt destul de slabe prin comparație. Cu toate acestea, tehnologiile alternative cu baterii în stare solidă ar putea fi cheia pentru a aduce o durată de viață mai lungă a bateriei la ceasurile inteligente, ceea ce în prezent scoate un număr de clienți de la a alege un material de purtat.

Baterii mai mari, mai voluminoase

Până în prezent, bateriile în stare solidă nu sunt încă adecvate pentru celulele mai mari găsite în smartphone-uri și tablete, cu atât mai puțin laptopuri sau mașini electrice. Pentru bateriile în stare solidă în cantitate mai mare, cu o capacitate mai mare, este necesară o conductivitate superioară care se apropie sau se potrivește cu electroliți lichizi, ceea ce exclude tehnologiile care promit altfel, precum LiPON. Conducția ionică măsoară capacitatea ionilor de a se deplasa printr-un material, iar o conducere bună este o cerință a celulelor mai mari pentru a asigura curentul necesar.

LISICON și LiPS au depășit cercetările asupra bateriilor LiPO, LiS și SiS, liderii precedenți în domeniul solid state. Cu toate acestea, aceste tipuri suferă în continuare de o conductivitate mai mică decât electroliții organici și lichizi la temperatura camerei, ceea ce le face nepracticabile pentru produsele comerciale.

Foarte conductiv

Aici intră cercetarea electroliților de oxid de granat (LLZO), deoarece are o conductivitate ionică ridicată la temperatura camerei.

Materialul obține o conducere care intră doar ușor în spatele rezultatelor oferite de celulele de ioni de litiu lichide, iar noi studii efectuate în LGPS sugerează că acest material ar putea chiar să se potrivească cu acesta.

Acest lucru ar însemna baterii în stare solidă cu o putere și o capacitate aproximativ egală ca celulele Li-ion din ziua de azi, în timp ce beneficiile cum ar fi dimensiunea redusă și durata de viață mai lungă devin o realitate.

Garnetul este, de asemenea, stabil în aer și apă, ceea ce îl face potrivit și pentru bateriile Li-Air. Din păcate, trebuie fabricat folosind un proces scump de sinterizare.

Acest lucru face în prezent o propunere neatractivă pentru utilizarea în bateriile de consum în comparație cu costul scăzut al celulelor cu litiu-ion. În viitor, probabil că costurile vor scădea pe măsură ce tehnicile de fabricație sunt perfecționate, dar suntem totuși departe de o baterie viabilă solidă din punct de vedere comercial.

Învelire

În mod evident, există încă o mulțime de cercetări în curs privind tehnologia bateriilor cu stare solidă. Nu vom vedea că celulele mature se vor îndrepta către produsele de larg consum ca smartphone-urile timp de încă 4 sau 5 ani, potrivit celor mai vechi predicții. Totuși, anul viitor pot apărea baterii cu stare solidă pe alte dispozitive (cum ar fi drone).

Totuși, cele mai recente cercetări produc în sfârșit rezultate care pot concura cu bateriile li-ion existente în ceea ce privește atributele, oferind în același timp beneficiile electroliților cu stare solidă. Tot ce avem nevoie este ca procesele de fabricație să se maturizeze și există o serie de producători mari și viitori de baterii cu resurse pentru a face acest lucru realitate.

În rezumat, principalele avantaje ale tuturor acestor diferențe chimice din perspectiva consumatorului sunt: ​​de până la 6 ori mai rapidă încărcare, de până la dublul densității energetice, o durată de viață mai lungă de până la 10 ani în comparație cu 2 și fără componente inflamabile. Cu siguranță, va fi o idee bună pentru smartphone-uri și alte dispozitive portabile.