Зміст

• Економія місця
• Більш тривалі терміни експлуатації
• Види твердотільних електролітів
• Тонкоплівкові акумулятори
• Більші, об'ємні акумулятори
• Високопровідна
• Загорнути

Кілька тижнів тому Kris ознайомив нас із темою твердотільних акумуляторів та як вони можуть стати наступним великим прогресом у технології акумуляторів смартфона. Коротше кажучи, твердотільні акумулятори є більш безпечними, можуть упакувати більше соку, і їх можна використовувати навіть для більш тонких пристроїв. На жаль, зараз їх надмірно дорого розміщувати в клітинках смартфона середнього розміру, але це може змінитися в найближчі роки.

Тож, якщо вам було цікаво, що таке твердотільний акумулятор і чим він відрізняється від літій-іонних клітин сьогодні, читайте далі.

Ключова відмінність часто використовуваного літій-іонного акумулятора від твердотільного акумулятора полягає в тому, що перший використовує рідкий електролітичний розчин для регулювання потоку струму, тоді як твердотільні батареї вибирають твердий електроліт. Електроліт акумулятора - це електропровідна хімічна суміш, яка дозволяє протікати струм між анодом і катодом.

Твердотільні батареї досі працюють так само, як і діючі батареї, але зміна матеріалів змінює деякі характеристики батареї, включаючи максимальну ємність зберігання, час зарядки, розмір та безпеку.

Струм всередині акумулятора проходить між анодом і катодом через струмопровідний електроліт, тоді як сепаратори використовуються для запобігання короткого замикання.

Економія місця

Безпосередня перевага переходу від рідкого на твердий електроліт полягає в тому, що щільність енергії акумулятора може збільшуватися. Це тому, що замість того, щоб вимагати великих роздільників між рідкими елементами, для твердотільних батарей потрібні лише дуже тонкі бар'єри для запобігання короткого замикання.

Твердотільні батареї можуть накопичити вдвічі більше енергії, ніж Li-ion

Звичайні акумуляторні сепаратори, що просочуються рідиною, мають товщину 20-30 мкм. Твердотільна технологія дозволяє зменшити сепаратори до 3-4 мкм кожен, приблизно в 7 разів заощаджуючи простір за допомогою перемикання матеріалів.

Однак ці роздільники не є єдиним компонентом всередині акумулятора, і інші біти не можуть зменшитись настільки, що обмежує потенціал для накопичувальних батарей для економії місця.

Незважаючи на це, твердотільні батареї можуть заряджати до двох разів більше енергії, ніж Li-ion, при заміні анода на меншу альтернативу.

Більш тривалі терміни експлуатації

Твердотільні електроліти, як правило, менш реакційноздатні, ніж сьогоднішні рідкі або гелі, тому можна очікувати, що вони протримаються набагато довше і не потребуватимуть заміни лише через 2 або 3 роки. Це також означає, що ці батареї не вибухнуть і не загоряться, якщо вони пошкоджені або постраждають від виробничих дефектів, що означає більш безпечні для споживачів продукти.

Твердотільні батареї не вибухають і не загоряються, якщо вони пошкоджені або страждають від виробничих дефектів.

У сучасних смартфонах замінні батареї часто шукають ті, хто хоче користуватися тим самим телефоном протягом багатьох років, оскільки їх можна поміняти, як тільки вони почнуть виходити з ладу.

Акумулятори для смартфонів часто не заряджаються після року або більше, і навіть можуть призвести до нестабільності обладнання, перезавантаження або навіть припинення роботи після декількох років використання. З твердотільними акумуляторами смартфони та інші гаджети можуть прослужити набагато довше, не потребуючи заміни комірки.

Є безліч твердих хімічних сполук, які можна було б використовувати в акумуляторах, а не лише в одній.

Розмова між рідкими та твердими батареями є надмірним спрощенням теми, оскільки є багато твердих хімічних сполук, які можна використовувати в акумуляторах, а не лише один.

Види твердотільних електролітів

Існує вісім різних основних категорій твердотільних акумуляторів, в яких кожна використовує різні матеріали для електроліту. Це Li-галогенід, Перовскіт, Li-Hydride, NASICON-подібний, гранат, Argyrodite, LiPON та LISICON-подібний.

Оскільки ми все ще маємо справу з новою технологією, дослідники все ще стикаються з найкращими типами твердотільних електролітів, які можна використовувати для різних категорій продуктів. Жоден з них ще не з'явився чіткими лідерами, однак клітини на основі сульфідів, LiPON та гранатові в даний час вважаються найбільш перспективними.

Ви, напевно, помітили, що багато хто з цих типів все ще є певним літієм (Li), оскільки вони все ще використовують літієві електроди. Але багато хто вибирає нові анодні та катодні електродні матеріали для підвищення продуктивності.

Тонкоплівкові акумулятори

Навіть у твердотільних акумуляторних батареях є два підтипи з чітким вирізом - тонка плівка та сипуча. Одним з найуспішніших тонкоплівкових типів, який вже є на ринку, є LiPON, який більшість виробників випускають з літієвим анодом.

Електроліт LiPON пропонує чудові атрибути ваги, товщини та навіть гнучкості, що робить його перспективним типом стільникового пристрою для носіння електроніки та гаджетів, які потребують невеликих комірок. Повернувшись до теми більш тривалих клітин, LiPON також продемонстрував чудову стабільність, лише на 5% зменшивши ємність після 40 000 циклів заряду.

LiPON батареї можуть тривати десь від 40 до 130 разів довше, ніж Li-ion батареї до їх заміни.

Для порівняння, літій-іонні акумулятори пропонують лише від 300 до 1000 циклів, перш ніж показувати подібне або більше падіння ємності. Це означає, що батареї LiPON можуть прослужити десь від 40 до 130 разів довше, ніж Li-ion батареї, перш ніж їх потрібно замінити.

Недоліком LiPON є те, що його загальна потужність накопичувальної енергії та електропровідність порівняно низькі. Однак альтернативні твердотільні акумуляторні технології можуть стати ключем до збільшення тривалості роботи акумулятора для смарт-годинників, що в даний час відтягує кількість клієнтів від того, щоб забрати носій.

Більші, об'ємні акумулятори

Поки твердотілі батареї ще не підходять для великих комірок, які можна знайти у смартфонах та планшетах, не кажучи вже про ноутбуки та електромобілі. Для великих об'ємних твердотільних акумуляторів з більшою ємністю потрібна покращена провідність, яка наближається до рідких електролітів або відповідає їм, що виключає інакше перспективні технології, такі як LiPON. Іонна провідність вимірює здатність іонів рухатися через матеріал, а хороша провідність - це вимога більших осередків для забезпечення необхідного струму.

LISICON та LiPS обігнали дослідження батарей LiPO, LiS та SiS, попередніх лідерів у галузі твердого тіла. Однак ці типи все ще страждають від нижчої провідності, ніж органічні та рідкі електроліти при кімнатній температурі, що робить їх непрактичним для комерційних продуктів.

Високопровідна

Тут проводяться дослідження електролітів гранатоксиду (LLZO), оскільки він може похвалитися високою іонною провідністю при кімнатній температурі.

Матеріал досягає провідності, яка лише трохи відстає від результатів, отриманих рідкими літій-іонними клітинами, і нові дослідження LGPS припускають, що цей матеріал навіть міг би відповідати йому.

Це означає, що твердотільні батареї мають приблизно однакову потужність та ємність, як сьогоднішні літій-іонні осередки, хоча побачити такі переваги, як зменшений розмір та довший термін експлуатації, стане реальністю.

Гранат також стабільний у повітрі та воді, що робить його придатним і для Li-Air акумуляторів. На жаль, його доводиться виготовляти за допомогою дорогого процесу спікання.

В даний час це робить непривабливою пропозицію для використання в споживчих батареях порівняно з низькою вартістю літій-іонних комірок. В майбутньому витрати, ймовірно, впадуть, оскільки технології виготовлення удосконалюються, але ми все ще певний шлях від комерційно вигідної твердотільної батареї.

Загорнути

Очевидно, що існує ще багато поточних досліджень технології твердотільних акумуляторів. Ми не збираємось бачити, що зрілі клітини проникають у споживчі товари, такі як смартфони, ще протягом 4 або 5 років, згідно з найдавнішими прогнозами. Твердотільні акумулятори в інших пристроях (як дрони) можуть з’явитися вже в наступному році.

Проте останнє дослідження, нарешті, дає результати, які можуть конкурувати з існуючими літій-іонними батареями за ознаками, одночасно забезпечуючи переваги твердотільних електролітів. Все, що нам потрібно, це для того, щоб виробничі процеси дозріли, і є ряд великих та майбутніх виробників акумуляторів, які мають ресурси, щоб зробити це реальністю.

Підсумовуючи, основними перевагами всіх цих хімічних відмінностей з точки зору споживача є: до 6 разів швидша зарядка, до вдвічі більшу щільність енергії, довший термін експлуатації до 10 років порівняно з 2 та відсутність легкозаймистих компонентів. Це, безумовно, стане користю для смартфонів та інших портативних гаджетів.