Baterie jsou součástí našeho každodenního života, napájejí vše od hodinek po počítače a mobilní telefony. Ale viděli jste někdy a exploze smartphonu? K výbuchu dochází kvůli jejich bateriím, protože používají kapalný elektrolyt. Kapalné elektrolyty jsou hořlavý a šance na výbuch je vysoká. Takže lepší alternativou je použít a solid-state baterie. V tomto článku se budeme zabývat polovodičovými bateriemi.
- Jsou pevné baterie vůbec možné?
- Co je to pevná baterie?
- Jaké jsou výhody polovodičových baterií?
- Jaké jsou nevýhody a výzvy polovodičových baterií?
- Používají elektromobily polovodičové baterie?
- Některé běžné časté dotazy
Pevné elektrolyty jsou hořlavý a pravděpodobnost výbuchu je zanedbatelná. Takže, solid-state baterie jsou budoucí řešení pro technologii baterií ve spotřební elektronice a elektrických vozidlech.
Jsou pevné baterie vůbec možné?
Ano, práce na polovodičových bateriích probíhají již více než století. Technologie polovodičových baterií je však omezena náklady, ekonomika, ukazatele výkonu a podpora průmyslového řetězce. Proto tato technologie dosud není v každodenních aplikacích tak běžná.
Quantum Scape vyvinul polovodičovou baterii, kterou lze nabíjet 0% až 80% za 15 minut, zatímco mnoho společností vyrábějících elektromobily již do této technologie investovalo a investuje Předpokládá se, že jej bude používat od roku 2025.
Co je to pevná baterie?
Použití pevných baterií pevné elektrody a pevné elektrolyty. Tyto baterie může se rychle nabíjet má vysokou hustotu energie. Baterie jsou hořlavé a vydrží déle než tradiční baterie. Tudíž polovodičové baterie lze použít v široké škále aplikací, včetně elektrických vozidel a lékařských zařízení defibrilátory a kardiostimulátory.
Pevné baterie byly představeny o John Goodenough kdo je otec lithium-iontových baterií.
Pevné baterie se skládají z katody a anody, které jsou odděleny elektrolytickým médiem, které umožňuje nabitým iontům procházet jimi. Lithium-kobalt-oxid manganu se používá jako katoda a lithiová kovová vrstva jako anoda. Používané pevné elektrolyty jsou ve formě keramiky, skla, sulfidů nebo pevných polymerů. Přečtěte si více.
Jak funguje polovodičová baterie?
Pevné baterie fungují stejně jako normální baterie (redoxní reakce).
** S laskavým svolením: Dragonfly Energy
Proces vybíjení
Během vybíjení, kladně nabité ionty se pohybují z anody (záporná elektroda) ke katodě (kladná elektroda) přes elektrolyt. Katoda se nabije kladně, což přitahuje elektrony z anody. Ale elektrony se nemohou pohybovat elektrolytem. Pro pohyb elektronů je tedy nutný vnější obvod. Proto se elektrony pohybují od záporné elektrody ke kladné elektrodě přes an vnější obvod. Tímto způsobem je do připojené zátěže dodávána energie.
Nabíjení proces
Během nabíjení probíhá opačný proces. The kladně nabité ionty proudí z katody k anodě, tím, že anoda je kladně nabitá. Elektrony se tak pohybují směrem k anodě přes obvod od katody. Pokud již neexistují žádné další ionty, které by proudily k anodě, uvažuje se o baterii plně nabito.
Jaké jsou výhody polovodičových baterií?
Pevné baterie mají ve srovnání s tradičními bateriemi řadu výhod. Nabízejí vysoká hustota energie, lepší bezpečnost a delší životnost. Nyní si podrobně představíme jejich výhody:
- Pevné baterie jsou menší rozměry a lehčí hmotnost. Mohou tedy být součástí mobilních energetických aplikací, lodí, letadel a dalších elektrických vozidel.
- Jsou schopni dodat 2.5krát vyšší hustota energie než tradiční lithium-iontové baterie. Proto jsou idohoda o vytváření vysokokapacitních modulůa bateriové systémy nabitých elektrických vozidel (EV).
- Pevné baterie poskytují a lepší bezpečnostní zkušenosti. Používá pevný elektrolyt, který nemá žádné hořlavé složky. Proto je méně náchylný k vznícení a má delší životnost.
- Oni mohou být rychle nabitá. tj. Dobíjí se 4-6krát rychlejší než současná technologie baterií.
- Pevné baterie mohou mít hodně rychlejší výroba používat méně materiálů a energie.
- Mají vynikající tepelná stabilita to znamená, že jsou schopny odolávat nižším nebo vyšším teplotám s lepší výdrží baterie.
** S laskavým svolením: QuantumScape
Jaké jsou nevýhody a výzvy polovodičových baterií?
- Výrobní náklady polovodičových baterií jsou relativně vyšší protože se jedná o nově vznikající technologii baterií a protože její výroba neprobíhá ve velkém množství.
- Pevné baterie mají vysoký vnitřní odpor na rozhraní pevné elektrody/elektrolyt, což zpomaluje proces rychlého nabíjení a vybíjení.
- Hromadění elektrodového materiálu je považováno za vlastní chemickou vadu, která snižuje životnost baterie po několika cyklech nabití a vybití.
- Masová produkce a výroba polovodičových baterií je a těžký úkol. To je způsobeno nedostupnost dokonalého materiálu pevného elektrolytu.
Do teď ne pevný elektrolyt s ideální iontovou vodivostí.
Používají elektromobily polovodičové baterie?
Ano, některá elektrická vozidla používají polovodičové baterie. Jsou nejperspektivnější technologií pro budoucí generace baterií v oblasti elektrických vozidel. Nabídka polovodičových baterií vysoká tepelná stabilita a delší životnost. Jsou tedy bezpečnější a účinnější než tradiční baterie pro elektromobily.
Podle Komise pro dopravu a životní prostředí (T&E).Polovodičové baterie mohou uchovat více energie s použitím menšího množství materiálů a jsou schopny snížit uhlíkovou stopu baterie EV o 39 % používáním udržitelných technologií a vhodných materiálů.
Polovodičové baterie budou pravděpodobně používány téměř v každém elektromobilu od 2025. Automobiloví giganti mají rádi Ford a BMW začnou je testovat koncem roku 2022.
Některé běžné časté dotazy
Jak dlouho vydrží pevné baterie?
Polovodičové baterie mají delší životnost (kolem 10 let), tj. mohou mít 10,000 XNUMX nabíjecích a vybíjecích cyklů.
Mohou solid-state baterie explodovat?
Ne, pravděpodobnost výbuchu je velmi malá. Protože používá pevné elektrolyty.
Které velké společnosti se zaměřují na polovodičové baterie?
Společnosti jako Modrá řešení, Quantum scape a Toyota Motor Corporation pracuje na polovodičových bateriích.
Baterie jsou jedním ze základních kamenů technologického vývoje posledních desetiletí. Díky nim je každá technologie závislá na elektřině použitelná mimo síť. Od použití obyčejné baterky až po zavolání rodině v elektrickém vozidle uprostřed ničeho, baterie poskytují nekonečné možnosti, které jsou v naší současné společnosti považovány za samozřejmost. Klíčovým omezením této zvýšené praktičnosti je potřeba nabíjení, úzké hrdlo, které je nejvíce diskutované v souvislosti s elektrickými vozidly, inspirující k hledání technologií, které umožňují lepší dojezd.
S ohledem na současnou změnu klimatu bude význam baterií jen narůstat; Jednou z hlavních výzev obnovitelné energie je kapacita skladování energie. Proto by jedním ze zajímavějších pokroků v technologii baterií bylo zvýšení životnosti a skladování, což se týká dosažitelné hustoty energie; baterie stejné velikosti, které dokážou uložit více energie než ty, které máme v současnosti.
Slibná vznikající technologie, polovodičová baterie, má velký potenciál nabídnout řešení a v dlouhodobém horizontu může dokonce nahradit lithium-iontové baterie. Než se tak stane, je třeba vyřešit některá klíčová úzká hrdla.
Rozdíl mezi lithium-iontovými bateriemi a polovodičovými bateriemi
Lithium-iontové baterie jsou aktuální volbou pro komerční aplikace. Jde o osvědčenou technologii, která je ekonomicky konkurenceschopná, a proto je snadno škálovatelná pro masové použití. Hlavní nevýhodou těchto baterií je jejich skromná hustota energie (kolem 250 Wh/kg) a bezpečnostní obavy týkající se tepelného úniku, který způsobuje vznícení baterie. Tepelné úniky jsou u technologií každodenního používání vzácné, ale je třeba se jim pokud možno vyhnout. Pevné lithium-kovové baterie by mohly poskytnout odpovědi na tyto problémy. Se zlepšenou bezpečností a vyšší hustotou energie kolem 400 Wh/kg mají schopnost nejen zlepšit současnou technologii (životnost, dobu nabíjení atd.), ale poskytnout nové příležitosti, jako je elektrický let. Abychom pochopili, odkud tyto výhody pocházejí, musíme pochopit rozdíl v pracovních mechanismech.
Lithium-iontové baterie mají tři klíčové komponenty: záporně nabitou anodu, kladně nabitou katodu a separátor mezi nimi. Anoda a katoda jsou porézní, což umožňuje tekutý elektrolyt k pohybu kladně nabitého lithia mezi dvěma elektrodami. Tento pohyb náboje způsobí, že se volné elektrony v anodě přesunou ke katodě a vytvoří proud. Tento proud poskytuje elektřinu, která se používá k provozu mobilního telefonu nebo EV. Prázdná baterie se nabíjí obrácením tohoto procesu.
Vybíjení lithium-iontové baterie. (Obrázek: Strategie Econopolis)
V polovodičových bateriích je kapalný elektrolyt nahrazen pevným elektrolytem, což z něj činí plně polovodičovou baterii (ASSB). Protože kapalný elektrolyt představuje největší nebezpečí z hlediska hořlavosti, je polovodičová baterie mnohem bezpečnější. Pevné elektrolyty jsou také kompatibilní s lepšími materiály anody, jako je křemík nebo lithium. Lithium kov má asi 10krát větší specifickou kapacitu než grafit, který se typicky používá v lithium-iontových bateriích, což zvyšuje hustotu energie. Tři nejvíce prozkoumané polovodičové baterie používají elektrolytické materiály, jako je sulfid, oxid a polymery. Všechny mají různé metriky, pokud jde o bezpečnost, obtížnost výroby a výkon.
Charakteristika různých materiálů elektrolytů v polovodičových bateriích
(Tabulka: Strategie Econopolis)
Nevýhody polovodičových baterií
Všechny typy baterií ztrácejí značnou část svého teoretického potenciálu kvůli praktickým omezením, ale solid-state lithium-metalová baterie stále překonává lithium-iontové baterie, pokud jde o bezpečnost a hustotu energie. Jednou z hlavních nevýhod jsou však degradační mechanismy u polovodičových baterií. Pevný elektrolyt dokonale neblokuje tvorbu lithiových dendritů při nabíjení. To způsobí zkrat, pokud se dostane ke katodě. Na druhé straně vybíjení baterie může vést k delaminaci rozhraní, což způsobí, že skvrny na anodě ztratí kontakt s elektrolytem. Kromě toho v kombinaci s jevy, jako je tečení lithia a mrtvé lithium, tyto baterie vyžadují výměnu po rozsáhlých sekvencích nabíjení a dobíjení.
Tvorba dendritů během životnosti polovodičových baterií
(Obrázek: Strategie Econopolis)
Dalšími důležitými výzvami jsou náklady a použitelnost. Manipulace a výroba polovodičových baterií jsou složitější, což se odráží v ceně. To také zakazuje hromadnou výrobu a integraci těchto typů baterií do každodenního používání. Další omezení jsou způsobena použitelností. Polovodičové baterie měly špatný výkon při provozu při nízkých teplotách. Stabilizace, aby byly užitečné při pokojových teplotách, není vždy samozřejmostí. Kromě toho je tlak činí křehčími. Všechny tyto problémy lze opravit, ale budou spojeny s náklady ve smyslu snížení hustoty energie. Výzkumníci nicméně doufají, že polovodičové baterie najdou své uplatnění v kardiostimulátorech, nositelných zařízeních, elektrických vozidlech a vesmírném zařízení.
Pevné baterie a klimatický přechod
Vzhledem k vyšší hustotě energie v polovodičových bateriích by kapacita úložiště obnovitelné energie mohla dosáhnout historických maxim, což by umožnilo méně odpadu v řetězci dodávek energie. Snížená hmotnost baterie způsobuje sníženou spotřebu materiálu a může snížit opotřebení zejména u elektrických vozidel. Skupina kampaně „Doprava a životní prostředí“ se sídlem v Bruselu oznámila 39% snížení uhlíkové stopy elektrických vozidel přechodem na polovodičové. Tyto typy baterií se také vyhýbají použití nebezpečných a toxických materiálů, čímž se snižují rizika pro životní prostředí.
Další možnou výhodou by mohlo být snížení spotřeby kritických surovin. Předpokládá se, že spotřeba lithia poroste, zatímco spotřeba kobaltu by se měla výrazně snížit. Stále není jasné, do jaké míry je kobalt nahrazen jinými kritickými materiály, jako je nikl nebo mangan. Vzhledem k tomu, že polovodičové baterie jsou stále novými technologiemi a společnosti chrání své duševní vlastnictví, je příliš brzy na to říci, zda by polovodičové baterie snížily kritickou poptávku po surovinách.
Polovodičové baterie jsou vzrušující novou technologií, která může zlepšit stávající paradigma baterií a otevřít brány směrem k novému technologickému vývoji. Stále však trpí obtížemi při praktickém provádění. Stejně jako jaderná fúze je teoretický potenciál obrovský, ale musí být prakticky dosažitelný. Doufejme, že se stálým vývojem výzkumu mohou tyto baterie pomoci utvářet naši budoucnost z obnovitelných zdrojů.
