Содержание

• Экономия места
• Дольше жизнь
• Типы твердотельных электролитов
• Тонкопленочные батареи
• Большие, большие батареи
• Очень проводящий
• Заворачивать

Пару недель назад Крис познакомил нас с темой о твердотельных батареях и о том, как они могут стать следующим крупным достижением в технологии батарей для смартфонов. Короче говоря, твердотельные батареи более безопасны, могут содержать больше сока и могут использоваться даже для более тонких устройств. К сожалению, их сейчас непомерно дорого встраивать в смартфоны среднего размера, но это может измениться в ближайшие годы.

Итак, если вам интересно, что же такое твердотельная батарея и чем она отличается от современных литий-ионных элементов, читайте дальше.

Ключевое различие между обычно используемой литий-ионной батареей и твердотельной батареей заключается в том, что первая использует жидкий электролитический раствор для регулирования тока, в то время как твердотельные батареи выбирают твердый электролит. Электролит батареи представляет собой проводящую химическую смесь, которая обеспечивает протекание тока между анодом и катодом.

Твердотельные батареи по-прежнему работают так же, как и современные батареи, но изменение материалов меняет некоторые атрибуты батареи, включая максимальную емкость, время зарядки, размер и безопасность.

Ток внутри батареи проходит между анодом и катодом через проводящий электролит, а сепараторы используются для предотвращения короткого замыкания.

Экономия места

Непосредственное преимущество перехода от жидкого к твердому электролиту состоит в том, что плотность энергии батареи может увеличиваться. Это связано с тем, что вместо использования больших разделителей между жидкостными элементами твердотельным батареям требуются только очень тонкие барьеры для предотвращения короткого замыкания.

Твердотельные аккумуляторы могут заряжать вдвое больше энергии, чем литий-ионные

Обычные пропитанные жидкостью аккумуляторные сепараторы имеют толщину 20-30 микрон. Твердотельная технология может уменьшить сепараторы до 3-4 микрон каждый, что примерно в 7 раз экономит пространство только за счет переключения материалов.

Тем не менее, эти разделители не являются единственным компонентом внутри батареи, и другие биты не могут сжаться так сильно, что накладывает ограничение на компактный потенциал твердотельных батарей.

Тем не менее, при замене анода на меньшую альтернативу, твердотельные батареи могут потреблять вдвое больше энергии, чем литий-ионные.

Дольше жизнь

Твердотельные электролиты обычно менее химически активны, чем сегодняшняя жидкость или гель, поэтому можно ожидать, что они прослужат намного дольше и не нуждаются в замене через 2 или 3 года. Это также означает, что эти батареи не будут взрываться или загораться, если они повреждены или имеют производственные дефекты, что означает более безопасные продукты для потребителей.

Твердотельные батареи не взрываются и не загораются, если они повреждены или имеют производственные дефекты.

В современных смартфонах заменяемые батареи часто востребованы для тех, кто хочет использовать один и тот же телефон в течение многих лет, поскольку их можно заменить, когда они начнут ломаться.

Аккумуляторы смартфонов часто перестают заряжаться примерно через год и даже могут привести к нестабильной работе оборудования, его перезагрузке или даже прекращению работы после нескольких лет использования. Благодаря твердотельным батареям смартфоны и другие гаджеты могут работать гораздо дольше без необходимости замены элемента.

Есть много твердых химических соединений, которые могут быть использованы в батареях, а не только один.

Разговор о жидких по сравнению с твердыми батареями является слишком упрощенным, поскольку существует множество твердых химических соединений, которые можно использовать в батареях, а не только в одной.

Типы твердотельных электролитов

Существует восемь различных основных категорий твердотельных батарей, в каждой из которых используются разные материалы для электролита. Это лигалогенид, перовскит, лигидрид, NASICON-подобный, гранат, аргиродит, LiPON и LISICON-подобный.

Поскольку мы все еще имеем дело с появляющейся технологией, исследователи все еще сталкиваются с лучшими типами твердотельного электролита для использования в различных категориях продуктов. Пока еще никто не выступал в качестве явного лидера, но клетки на основе сульфидов, LiPON и Garnet в настоящее время считаются наиболее перспективными.

Вы, вероятно, заметили, что многие из этих типов по-прежнему основаны на литии (Li), потому что они все еще используют литиевые электроды. Но многие выбирают новые материалы для анодных и катодных электродов для улучшения характеристик.

Тонкопленочные батареи

Даже в типах твердотельных аккумуляторов есть два четко выраженных подтипа - тонкая пленка и основная масса. Одним из наиболее успешных типов тонких пленок, который уже есть на рынке, является LiPON, который большинство производителей выпускают с литиевым анодом.

Электролит LiPON обладает превосходными характеристиками веса, толщины и даже гибкости, что делает его перспективным типом элементов для носимой электроники и гаджетов, требующих небольших элементов. Возвращаясь к вопросу о более долговечных элементах, LiPON также продемонстрировал превосходную стабильность с уменьшением емкости всего на 5% после 40 000 циклов зарядки.

Батареи LiPON могут работать от 40 до 130 раз дольше, чем литий-ионные батареи, прежде чем их нужно будет заменить.

Для сравнения, литий-ионные аккумуляторы предлагают только от 300 до 1000 циклов, прежде чем демонстрируют аналогичное или большее падение емкости. Это означает, что LiPON аккумуляторы могут работать в 40-130 раз дольше, чем Li-ion, прежде чем их заменять.

Недостатком LiPON является то, что его общая емкость и проводимость для хранения энергии, по сравнению с ней, довольно плохие. Тем не менее, альтернативные технологии твердотельных аккумуляторов могут стать ключом к продлению срока службы аккумулятора для умных часов, что в настоящее время не позволяет многим покупателям приобретать носимые устройства.

Большие, большие батареи

Пока что твердотельные батареи пока не подходят для более крупных элементов, которые можно найти в смартфонах и планшетах, не говоря уже о ноутбуках или электромобилях. Для больших объемных твердотельных батарей с большей емкостью требуется превосходная проводимость, которая приближается к жидким электролитам или соответствует им, что исключает иные многообещающие технологии, такие как LiPON. Ионная проводимость измеряет способность ионов проходить через материал, а хорошая проводимость является требованием больших ячеек для обеспечения требуемого тока.

LISICON и LiPS обогнали исследования в области LiPO, LiS и SiS батарей, предыдущих лидеров в области твердотельных систем. Однако эти типы все еще страдают от более низкой проводимости, чем органические и жидкие электролиты при комнатной температуре, что делает их непрактичными для коммерческих продуктов.

Очень проводящий

Именно здесь проводятся исследования в области гранат-оксидных (LLZO) электролитов, так как они имеют высокую ионную проводимость при комнатной температуре.

Материал достигает проводимости, которая лишь немного уступает результатам, предлагаемым жидкими литий-ионными элементами, и новые исследования LGPS предполагают, что этот материал может даже соответствовать этому.

Это означало бы, что твердотельные батареи примерно такой же мощности и емкости, как и сегодняшние литий-ионные элементы, при этом становятся очевидными такие преимущества, как уменьшение размера и увеличение срока службы.

Гранат также стабилен в воздухе и воде, что делает его пригодным для литиевых батарей. К сожалению, он должен быть изготовлен с использованием дорогостоящего процесса спекания.

В настоящее время это делает его непривлекательным для использования в потребительских батареях по сравнению с низкой стоимостью литий-ионных элементов. В будущем, вероятно, затраты будут снижаться по мере совершенствования технологий производства, но мы все еще далеки от коммерчески жизнеспособной твердотельной батареи.

Заворачивать

Очевидно, что в области технологии твердотельных батарей еще много исследований. Согласно самым ранним прогнозам, мы не увидим, как зрелые ячейки попадут в потребительские товары, такие как смартфоны, еще на 4 или 5 лет. Твердотельные батареи в других устройствах (например, дроны) могут появиться уже в следующем году.

Тем не менее, последние исследования, наконец, дают результаты, которые могут конкурировать с существующими литий-ионными батареями с точки зрения характеристик, а также обеспечивают преимущества твердотельных электролитов. Все, что нам нужно, - это созревать производственные процессы, и есть ряд крупных и будущих производителей аккумуляторных батарей, у которых есть ресурсы, чтобы сделать это реальностью.

Таким образом, ключевые преимущества всех этих химических отличий с точки зрения потребителя: до 6 раз более быстрая зарядка, удвоенная удельная энергия, более длительный срок службы до 10 лет по сравнению с 2 и отсутствие воспламеняющихся компонентов. Это, безусловно, будет благом для смартфонов и других портативных гаджетов.