Съдържание

• Спестяване на място
• По-дълъг период на живот
• Видове твърдолитни електролити
• Тънкослойни батерии
• По-големи, по-обемни батерии
• Силно проводими
• Увийте

Преди няколко седмици Крис ни запозна с темата за солидните батерии и как те могат да бъдат следващото голямо развитие в технологията на батериите на смартфоните. Накратко, твърдо батериите са по-безопасни, могат да се опаковат в повече сок и могат да се използват за още по-тънки устройства. За съжаление, в момента са скъпи скъпи за поставяне в средни по размер смартфони, но това може да се промени в следващите години.

Така че, ако се чудите какво е точно твърдотоварен акумулатор и как е различен от днешните литиево-йонни клетки, прочетете нататък.

Ключовата разлика между често използваната литиево-йонна батерия и солидно-акумулаторна батерия е, че първата използва течен електролитен разтвор за регулиране на потока на тока, докато твърдотните батерии избират твърд електролит. Електролитът на акумулатора е проводяща химическа смес, която позволява протичането на ток между анода и катода.

Твърдотелните батерии все още работят по същия начин, както сегашните батерии, но промяната на материалите променя някои от характеристиките на батерията, включително максимален капацитет за съхранение, време за зареждане, размер и безопасност.

Токът вътре в батерията преминава между анода и катода през проводящ електролит, докато сепараторите се използват за предотвратяване на късо съединение.

Спестяване на място

Непосредствената полза от преминаването от течен към твърд електролит е, че енергийната плътност на батерията може да се увеличи. Това е така, защото вместо да се изискват големи разделители между течните клетки, на твърдо състояние батерии се изискват само много тънки прегради, за да се предотврати късо съединение.

Твърдо състояните батерии могат да се съберат с два пъти повече енергия от Li-ion

Конвенционалните сепаратори за батерии, напоени с течност, се предлагат с дебелина 20-30 микрона. Solid-state технологията може да намали разделителите до 3-4 микрона всеки, приблизително 7-кратно пространство спестявайки само чрез превключване на материали.

Тези разделители обаче не са единственият компонент вътре в батерията и другите битове не могат да се свият толкова много, поставяйки лимит за потенциала за спестяване на място на твърди батерии.

Независимо от това, твърдотъчните батерии могат да акумулират до два пъти повече енергия от Li-ion, когато заменяте анода и с по-малка алтернатива.

По-дълъг период на живот

Твърдо състояните електролити обикновено са по-малко реактивни от днешните течности или гелове, така че може да се очаква да издържат много по-дълго и няма да се нуждаят от подмяна след само 2 или 3 години. Това също означава, че тези батерии няма да избухнат или се запалят, ако са повредени или страдат от производствени дефекти, което означава по-безопасни продукти за потребителите.

Твърдо състояните батерии няма да експлодират или не се запалват, ако са повредени или страдат от производствени дефекти.

В настоящите смартфони сменяемите батерии често се търсят за тези, които искат да използват един и същ телефон в продължение на много години, тъй като те могат да бъдат сменени, след като започнат да се разпадат.

Батериите на смартфоните често не задържат зареждането си след година или повече и дори могат да доведат до нестабилност на хардуера, нулиране или дори спиране на работа след няколко години употреба. С твърдо състояние батерии, смартфони и други джаджи могат да издържат много по-дълго, без да се нуждаете от клетка за замяна.

Има много твърди химически съединения, които биха могли да се използват в батерии, а не само в едно.

Говоренето на течност срещу твърди батерии е прекалено опростяване на темата, тъй като има много твърди химически съединения, които могат да се използват в батерии, а не само в едно.

Видове твърдолитни електролити

Има осем различни основни категории твърдотелни батерии, всяка от които използва различни материали за електролита. Това са Li-Halide, Perovskite, Li-Hydride, NASICON-подобни, гранат, Argyrodite, LiPON и LISICON-подобни.

Тъй като ние все още се занимаваме с нововъзникваща технология, изследователите все още се справят с най-добрите видове електролит на твърдо състояние, които да се използват за различни категории продукти. Засега никой не се е изявил като ясни лидери, но клетките на основата на сулфид, LiPON и гранат в момента се разглеждат като най-обещаващи.

Вероятно ще забележите, че много от тези типове все още са в основата на литий (Li), тъй като все още използват литиеви електроди. Но мнозина избират нови анодни и катодни електродни материали за подобряване на производителността.

Тънкослойни батерии

Дори в твърдо състояние на батерията има два ясно подрязани подтипа - тънък филм и насипни. Един от най-успешните тънкослойни видове, който вече е на пазара, е LiPON, който мнозинството от производителите произвеждат с литиев анод.

Електролитът LiPON предлага отлични характеристики на тегло, дебелина и дори гъвкавост, което го прави обещаващ тип клетки за носими електроника и джаджи, които изискват малки клетки. Връщайки се към темата за по-дълготрайните клетки, LiPON също демонстрира отлична стабилност само с 5% намаляване на капацитета след 40 000 цикъла на зареждане.

LiPON батериите могат да издържат от 40 до 130 пъти по-дълго от Li-ion батериите, преди да се нуждаят от подмяна.

За сравнение, литиево-йонните батерии предлагат само между 300 и 1000 цикъла, преди да покажат подобен или по-голям спад в капацитета. Това означава, че LiPON батериите могат да издържат от 40 до 130 пъти по-дълго от Li-ion батериите, преди да се нуждаят от подмяна.

Недостатъкът на LiPON е, че общият му капацитет за съхранение на енергия и проводимост са доста лоши в сравнение. Въпреки това, алтернативните технологии за твърди батерии могат да бъдат ключът към удължаване на живота на батерията на смарт часовниците, което в момента отлага редица клиенти да вземат носещи се.

По-големи, по-обемни батерии

Засега твърдотелни батерии все още не са подходящи за по-големи клетки, намиращи се в смартфони и таблети, камо ли за лаптопи или електрически автомобили. За по-големи обемисти твърди батерии с по-голям капацитет е необходима превъзходна проводимост, която се доближава или съответства на течни електролити, което изключва иначе обещаващи технологии като LiPON. Йонната проводимост измерва способността на йоните да се движат през материал, а добрата проводимост е изискване на по-големи клетки, за да се осигури необходимия ток.

LISICON и LiPS са изпреварили изследванията на LiPO, LiS и SiS батерии, предишните лидери в областта на твърдото състояние. Въпреки това, тези видове все още страдат от по-ниска проводимост от органичните и течните електролити при стайна температура, което ги прави непрактични за търговските продукти.

Силно проводими

Оттук идват изследвания за гранатоксид (LLZO) електролити, тъй като се отличават с висока йонна проводимост при стайна температура.

Материалът постига проводимост, която идва малко по-назад от резултатите, предлагани от течните литиево-йонни клетки, а новите проучвания на LGPS предполагат, че този материал може дори да го съпостави.

Това би означавало твърдо състояние на батерии с приблизително еднаква мощност и капацитет, както днешните Li-ion клетки, докато виждането на ползи като намален размер и по-дълъг живот стават реалност.

Гранатът също е стабилен на въздух и вода, което го прави подходящ и за Li-Air батерии. За съжаление тя трябва да бъде произведена с помощта на скъп процес на синтероване.

Това в момента го прави непривлекателно предложение за използване в потребителски батерии в сравнение с ниската цена на литиево-йонните клетки. В бъдеще вероятно разходите ще паднат, тъй като производствените техники са усъвършенствани, но все още сме далеч от комерсиално жизненоважна твърда батерия.

Увийте

Ясно е, че все още има много текущи изследвания на твърдо състояние на батерията. Няма да видим зрели клетки да пробиват в потребителски продукти като смартфони за още 4 или 5 години, според най-ранните прогнози. Твърдо състояние на батерии в други устройства (като дронове) може да се появи веднага след следващата година.

Все пак най-новото изследване най-накрая дава резултати, които могат да се конкурират със съществуващите литиево-йонни батерии по отношение на атрибутите, като същевременно осигуряват и предимствата на твърдоличните електролити. Всичко, от което се нуждаем, е да отлежат производствените процеси и има редица големи и предстоящи производители на батерии с ресурсите, които да направят това реалност.

В обобщение, основните предимства на всички тези химични разлики от гледна точка на потребителите са: до 6 пъти по-бързо зареждане, до два пъти по-голяма плътност на енергията, по-дълъг живот на цикъла до 10 години в сравнение с 2 и без запалими компоненти. Това със сигурност ще бъде благодат за смартфони и други преносими джаджи.