Obsah

• Úspora miesta
• Dlhšia životnosť
• Druhy elektrolytov v tuhom skupenstve
• Tenkovrstvové batérie
• Väčšie, objemnejšie batérie
• Vysoko vodivé
• Zabaliť

Pred pár týždňami nás Kris predstavil na tému polovodičových batérií a o tom, ako by mohli byť ďalším významným pokrokom v technológii batérií pre smartfóny. Stručne povedané, polovodičové batérie sú bezpečnejšie, dokážu zabaliť viac šťavy a môžu sa použiť aj pre tenšie zariadenia. Žiaľ, práve teraz sú neúmerne drahé vkladať do stredne veľkých buniek smartphonu, ale to sa môže v nasledujúcich rokoch zmeniť.

Takže, ak ste sa pýtali, čo presne je polovodičová batéria a ako sa líši od dnešných lítium-iónových článkov, čítajte ďalej.

Kľúčový rozdiel medzi bežne používanou lítium-iónovou batériou a polovodičovou batériou je v tom, že batéria v prvej fáze používa na reguláciu toku prúdu kvapalné elektrolytické riešenie, zatiaľ čo polovodičové batérie sa rozhodujú pre pevný elektrolyt. Elektrolyt batérie je vodivá chemická zmes, ktorá umožňuje tok prúdu medzi anódou a katódou.

Polovodičové batérie stále fungujú rovnako ako súčasné batérie, ale zmena materiálov mení niektoré atribúty batérie vrátane maximálnej úložnej kapacity, časov nabíjania, veľkosti a bezpečnosti.

Prúd vo vnútri batérie prechádza medzi anódou a katódou cez vodivý elektrolyt, zatiaľ čo oddeľovače sa používajú na zabránenie skratu.

Úspora miesta

Okamžitou výhodou prechodu z kvapalného na pevný elektrolyt je to, že sa môže zvýšiť hustota energie batérie. Dôvodom je, že namiesto toho, aby sa vyžadovali veľké oddeľovače medzi kvapalnými článkami, batérie v tuhom stave vyžadujú len veľmi tenké bariéry, aby sa zabránilo skratu.

Batérie v pevnom stave dokážu zabaliť dvakrát toľko energie ako Li-ion

Tradičné odlučovače batérií nasiaknuté tekutinou prichádzajú s hrúbkou 20 - 30 mikrónov. Polovodičová technológia môže znížiť odlučovače až na 3 až 4 mikróny, čo je zhruba 7-násobný priestor, ktorý šetrí iba prepínaním materiálov.

Tieto oddeľovače však nie sú jediným komponentom vo vnútri batérie a iné kúsky sa nemôžu zmenšiť tak, že obmedzujú potenciál úspor energie polovodičových batérií, ktorý šetrí miesto.

Aj napriek tomu môžu polovodičové batérie akumulovať až dvakrát toľko energie ako lítium-iónové, keď sa anóda nahrádza aj menšou alternatívou.

Dlhšia životnosť

Elektrolyty v tuhom skupenstve sú zvyčajne menej reaktívne ako dnešná tekutina alebo gél, takže sa dá očakávať, že vydržia oveľa dlhšie a nemusia sa vymieňať už po 2 alebo 3 rokoch. To tiež znamená, že tieto batérie nebudú explodovať alebo vznietiť, ak sú poškodené alebo majú výrobné chyby, čo pre spotrebiteľov predstavuje bezpečnejšie výrobky.

Batérie v tuhom stave nevybuchnú ani nehasnú, ak sú poškodené alebo majú výrobné chyby.

V súčasných smartfónoch sa často hľadajú náhradné batérie, ktoré chcú používať ten istý telefón po mnoho rokov, pretože keď sa začnú rozkladať, môžu sa vymeniť.

Batérie smartfónov často nenabíjajú nabíjanie ani po roku alebo tak, a dokonca môžu spôsobiť nestabilitu hardvéru, reset alebo dokonca prestanú fungovať po niekoľkých rokoch používania. S polovodičovými batériami mohli smartfóny a ďalšie pomôcky vydržať oveľa dlhšie bez potreby výmeny bunky.

Existuje veľa pevných chemických zlúčenín, ktoré by sa dali použiť v batériách, nielen jedna.

Hovorenie o kvapaline verzus tuhé batérie je však príliš zjednodušené, pretože existuje veľa tuhých chemických zlúčenín, ktoré by sa mohli použiť v batériách, nielen jedna.

Druhy elektrolytov v tuhom skupenstve

Existuje osem rôznych hlavných kategórií polovodičových batérií, z ktorých každá používa iný materiál pre elektrolyt. Sú to Li-Halide, Perovskite, Li-Hydride, NASICON-like, Garnet, Argyrodite, LiPON a LISICON-like.

Keďže sa stále zaoberáme objavujúcou sa technológiou, vedci sa stále vyrovnávajú s najlepšími druhmi elektrolytu v tuhom skupenstve, ktoré sa používajú pre rôzne kategórie výrobkov. Žiadny zatiaľ nevyšiel ako jasný vodca, ale bunky LiPON a granát na báze sulfidov sa v súčasnosti považujú za najsľubnejšie.

Pravdepodobne ste si všimli, že mnohé z týchto typov sú stále založené na lítium (Li), pretože stále používajú lítiové elektródy. Mnoho z nich sa však rozhodlo pre nové materiály na anódové a katódové elektródy na zlepšenie výkonu.

Tenkovrstvové batérie

Dokonca aj v prípade typov batérií v pevnom stave existujú dva jasne podtypy - tenký film a objemný. Jeden z najúspešnejších typov tenkých vrstiev, ktorý je už na trhu, je LiPON, ktorý väčšina výrobcov vyrába s lítiovou anódou.

Elektrolyt LiPON ponúka vynikajúce vlastnosti týkajúce sa hmotnosti, hrúbky a dokonca flexibility, čo z neho robí sľubný typ bunky pre nositeľnú elektroniku a prístroje, ktoré vyžadujú malé články. Vráťme sa k téme buniek s dlhšou životnosťou, LiPON tiež preukázal vynikajúcu stabilitu s iba 5% znížením kapacity po 40 000 nabíjacích cykloch.

Batérie LiPON vydržia 40 až 130-krát dlhšie ako lítium-iónové batérie skôr, ako budú musieť vymeniť.

Na porovnanie, lítium-iónové batérie ponúkajú iba medzi 300 a 1000 cyklami predtým, ako vykazujú podobný alebo väčší pokles kapacity. To znamená, že batérie LiPON vydržia 40 až 130-krát dlhšie ako lítium-iónové batérie skôr, ako budú musieť vymeniť.

Nevýhodou spoločnosti LiPON je, že jej celková kapacita ukladania energie a vodivosť sú v porovnaní s tým dosť nízke. Kľúčom k predĺženiu životnosti batérií smartwatches by však mohli byť alternatívne technológie polovodičových batérií, ktoré v súčasnosti odkladajú mnoho zákazníkov, aby si vybrali nositeľné.

Väčšie, objemnejšie batérie

Doteraz nie sú polovodičové batérie vhodné pre väčšie bunky nachádzajúce sa v smartfónoch a tabletoch, nehovoriac o prenosných počítačoch alebo elektrických automobiloch. Pre väčšie objemové polovodičové batérie s väčšou kapacitou sa vyžaduje vynikajúca vodivosť, ktorá sa blíži tekutým elektrolytom alebo sa zhoduje s nimi, čo vylučuje inak sľubné technológie, ako je LiPON. Iónové vedenie meria schopnosť iónov pohybovať sa cez materiál a dobré vedenie je požiadavkou väčších buniek na zabezpečenie požadovaného prúdu.

Spoločnosti LISICON a LiPS predbehli výskum batérií LiPO, LiS a SiS, predchádzajúcich lídrov v oblasti polovodičov. Tieto typy však stále trpia pri izbovej teplote nižšou vodivosťou ako organické a kvapalné elektrolyty, čo ich robí nepraktickými pre komerčné výrobky.

Vysoko vodivé

Tu prichádza výskum elektrolytov granátového oxidu (LLZO), pretože sa môže pochváliť vysokou iónovou vodivosťou pri izbovej teplote.

Materiál dosahuje vedenie, ktoré prichádza len mierne za výsledky, ktoré ponúkajú tekuté lítium-iónové bunky, a nové štúdie o LGPS naznačujú, že tento materiál by sa mu dokonca mohol vyrovnať.

To by znamenalo polovodičové batérie s približne rovnakou energiou a kapacitou ako súčasné lítium-iónové články, zatiaľ čo výhody, ako je zmenšená veľkosť a dlhšia životnosť, sa stanú skutočnosťou.

Granát je tiež stabilný vo vzduchu a vode, takže je vhodný aj pre Li-Air batérie. Bohužiaľ to musí byť vyrobené pomocou drahého procesu spekania.

V súčasnosti je to neatraktívny návrh na použitie v spotrebiteľských batériách v porovnaní s nízkymi nákladmi na lítium-iónové články. V budúcnosti budú pravdepodobne klesať náklady, pretože výrobné techniky sa zdokonaľujú, ale stále sme ďaleko od komerčne realizovateľnej polovodičovej batérie.

Zabaliť

Je zrejmé, že stále prebieha veľa výskumu technológie polovodičových batérií. Podľa najbližších predpovedí neuvidíme zrelé bunky, ktoré sa dostanú do spotrebiteľských produktov, ako sú smartphony, na ďalšie 4 alebo 5 rokov. Polovodičové batérie v iných zariadeniach (napr. Roboti) sa môžu objaviť hneď v budúcom roku.

Najnovší výskum však stále prináša výsledky, ktoré môžu konkurovať existujúcim lítium-iónovým batériám, pokiaľ ide o atribúty, a zároveň poskytujú výhody elektrolytov v tuhom skupenstve. Potrebujeme iba zrelé výrobné procesy a existuje množstvo veľkých a pripravovaných výrobcov batérií so zdrojmi, aby sa to stalo skutočnosťou.

V súhrne sú hlavné výhody všetkých týchto chemických rozdielov z hľadiska spotrebiteľa: až 6-krát rýchlejšie nabíjanie, až dvojnásobok hustoty energie, dlhšia životnosť cyklu až 10 rokov v porovnaní s 2 a žiadne horľavé zložky. Určite to bude výhoda pre smartfóny a ďalšie prenosné prístroje.