Kaj je Solid-State baterije in bodo rešili naše težave z življenjsko dobo baterije?

Mobilna tehnologija eksponentno narašča, vendar tehnologija baterij ne sledi. Dosegamo fizične omejitve, kar lahko naredijo konvencionalni litij-ionski in litij-polimerni modeli. Rešitev je lahko nekaj, kar se imenuje polprevodniška baterija.

Kaj je akumulator v trdnem stanju?

V običajni izvedbi baterij se najpogosteje uporabljajo litij-ionske-dve trdni kovinski elektrodi s tekočo litijevo soljo, ki deluje kot elektrolit. Jonski delci se premikajo od ene elektrode (katode) do druge (anode), ko se baterija polni, in obratno, ko se prazni. Tekoči litijev solni elektrolit je medij, ki omogoča to gibanje. Če ste že kdaj videli, da je baterija razjedena ali se preluknjala, je »kislina akumulatorja«, ki izhaja (ali včasih eksplodira), tekoči elektrolit.

V polprevodniški bateriji sta pozitivni in negativni elektrodi ter elektrolit med njimi trdni kosi kovine, zlitine ali kakšnega drugega sintetičnega materiala. Izraz »solid-state« vas lahko spomni na SSD podatkovne pogone in to ni naključje. Polprevodniški pomnilniški pogoni uporabljajo pomnilnik flash, ki se ne premika, v nasprotju s standardnim trdim diskom, ki shranjuje podatke na vrtljivi magnetni disk, ki ga poganja majhen motor.

Čeprav je zamisel o polprevodniških baterijah prisotna že desetletja, se napredek v njihovem razvoju šele začenja, kar trenutno spodbujajo naložbe podjetij za elektroniko, proizvajalcev avtomobilov in splošnih industrijskih ponudnikov..

Kaj je boljše pri polprevodniških baterijah?

Polprevodniške baterije obljubljajo nekaj posebnih prednosti v primerjavi s svojimi bratranci, polnjenimi s tekočino: boljše trajanje baterije, hitrejši čas polnjenja in varnejše izkušnje.

Polprevodniške baterije stisnejo anodo, katodo in elektrolit v tri ploske plasti, namesto da se elektrode zadržujejo v tekočem elektrolitu. To pomeni, da jih lahko naredite manjše - ali vsaj bolj plosko - medtem ko držite toliko energije kot večja baterija na osnovi tekočine. Torej, če ste litij-ionsko ali litij-polimersko baterijo v telefonu ali prenosnem računalniku zamenjali z enako velikimi polprevodniškimi akumulatorji, bi se baterija dosti dlje. Lahko pa napravite napravo, ki ima enako polnjenje precej manjšo ali tanjšo.

Tudi polprevodniške baterije so varnejše, saj se ne morete razliti strupene, vnetljive tekočine in ne proizvajajo toliko toplote kot običajne akumulatorske baterije. Kadar se uporabljajo za baterije, ki napajajo trenutno elektroniko ali celo električne avtomobile, se lahko napolnijo veliko hitreje, preveč ionov pa se lahko hitreje premaknejo od katode do anode..

Po najnovejših raziskavah lahko polprevodniška baterija z zmogljivostjo preseže konvencionalne akumulatorske baterije za 500% ali več, polni pa v desetini časa.

Katere so slabosti?

Ker so polprevodniške baterije nova tehnologija, jih je izjemno draga pri izdelavi. Tako drago, v resnici, da v času pisanja niso nameščeni v nobeni večji potrošniški elektroniki. Leta 2012 so analitiki, ki so pisali za oddelek za analizo programske opreme na Univerzi na Floridi in oddelek za obdelavo naprednih materialov, ocenili, da bi tipična baterija v trdnem stanju, ki ustreza celičnemu telefonu, stala približno 15.000 USD. Ena dovolj velika za električni avtomobil bi stala 100.000 dolarjev.

Izdelava polprevodniškega akumulatorja, ki je dovolj velik za napajanje telefona, je danes na tisoče dolarjev.

Del tega je zato, ker ekonomije obsega niso na mestu - stotine milijonov akumulatorskih baterij se izdeluje vsako leto, tako da so proizvodni stroški materialov in opreme razporejeni po velikih dobavnih linijah. Obstaja le nekaj podjetij in univerz, ki raziskujejo polprevodniške baterije, tako da so stroški za izdelavo vsakega od njih astronomski.

Drugo vprašanje so materiali. Medtem ko so lastnosti različnih kovin, zlitin in kovinskih soli, ki se uporabljajo za običajne akumulatorske baterije, dobro znane, trenutno ne poznamo najboljše kemijske in atomske sestave trdnega elektrolita med kovinskimi anodami in katodami. Trenutne raziskave to zmanjšujejo, vendar moramo zbrati zanesljivejše podatke, preden lahko zberemo ali sintetiziramo materiale in vlagamo v proizvodne procese..

Kdaj bom uporabil polprevodniško baterijo?

Kot pri vseh nastajajočih tehnologijah, poskuša ugotoviti, kdaj boste dobili svoje roke na to je ugibanje v najboljšem primeru.

Spodbudno je, da veliko ogromnih korporacij vlaga v raziskave, ki so potrebne za prenos trdnih baterij v potrošniški trg, vendar se sramuje velikega prodora v bližnji prihodnosti, težko je reči, ali bo prišlo do velikega koraka naprej. Vsaj ena avtomobilska družba pravi, da bo do leta 2023 pripravljena postaviti vozilo v vozilo, vendar ne ve, koliko bi to vozilo stalo. Pet let se zdi preveč optimistično; deset let se zdi bolj verjetno. Lahko se zgodi, da bo trajalo dvajset let ali več, preden bodo materiali poravnani in bodo razviti proizvodni procesi.

Ampak kot smo rekli na začetku članka, se konvencionalna tehnologija baterij začenja udariti v steno. In nič drugega kot potencialne prodaje, ki bi spodbudile raziskave in razvoj. To je vsaj rahlo (zelo, zelo rahlo) mogoče, da boste kmalu lahko uporabljali pripomoček ali vozite avto, ki ga napaja polna baterija.

Posojilo: Sucharas Wongpeth / Shutterstock, Daniel Krason / Shutterstock