Obsah

• Šetření místa
• Delší životnost
• Typy polovodičových elektrolytů
• Tenkovrstvé baterie
• Větší, objemnější baterie
• Vysoce vodivý
• Zabalit

Před pár týdny nás Kris představil na téma polovodičových baterií a jak by mohly být dalším významným pokrokem v technologii bateriových smartphonů. Stručně řečeno, pevné baterie jsou bezpečnější, mohou zabalit více šťávy a lze je použít i pro tenčí zařízení. V současné době je bohužel neúměrně nákladné vkládat do středních mobilních telefonů, ale v příštích letech se to může změnit.

Takže, pokud jste přemýšleli, co přesně je polovodičová baterie a jak se liší od dnešních lithium-iontových článků, přečtěte si dále.

Klíčový rozdíl mezi běžně používanou lithium-iontovou baterií a polovodičovou baterií spočívá v tom, že první z nich používá kapalný elektrolytický roztok k regulaci toku proudu, zatímco polovodičové baterie volí pevný elektrolyt. Elektrolyt baterie je vodivá chemická směs, která umožňuje tok proudu mezi anodou a katodou.

Polovodičové baterie stále fungují stejným způsobem jako běžné baterie, ale změna materiálů mění některé atributy baterie, včetně maximální kapacity úložiště, dob nabíjení, velikosti a bezpečnosti.

Proud uvnitř baterie prochází mezi anodou a katodou přes vodivý elektrolyt, zatímco oddělovače se používají k zabránění zkratu.

Šetření místa

Okamžitou výhodou přechodu z kapalného na pevný elektrolyt je to, že se může zvýšit hustota energie baterie. Důvodem je, že místo toho, aby vyžadovaly velké oddělovače mezi kapalnými články, vyžadují baterie v pevném stavu pouze velmi tenké bariéry, aby se zabránilo zkratu.

Baterie v pevném stavu dokážou zabalit dvakrát tolik energie než Li-ion

Konvenční odlučovače baterií nasáklé kapalinou přicházejí s tloušťkou 20-30 mikronů. Technologie v pevném stavu může snížit odlučovače až na 3 až 3 mikrony, což je zhruba 7násobný prostor, který šetří pouze přepínáním materiálů.

Tyto oddělovače však nejsou jedinou součástí uvnitř baterie a jiné bity se nemohou zmenšit tak, že omezují potenciál úspor pevných látek v akumulátorech na místo.

I přesto mohou polovodičové baterie pojmout až dvakrát tolik energie než Li-ion, když vyměňují anodu za menší alternativu.

Delší životnost

Elektrolyty v pevné fázi jsou obvykle méně reaktivní než dnešní kapalina nebo gel, takže lze očekávat, že vydrží mnohem déle a po dvou nebo 3 letech nebude nutné je vyměňovat. To také znamená, že tyto baterie nevybuchnou ani nevzniknou, pokud jsou poškozené nebo trpí výrobními vadami, což pro spotřebitele znamená bezpečnější výrobky.

Polovodičové baterie nevybuchnou ani nevzniknou, pokud jsou poškozené nebo trpí výrobními vadami.

U současných chytrých telefonů jsou často hledány vyměnitelné baterie pro ty, kteří chtějí používat stejný telefon po mnoho let, protože je lze vyměnit, jakmile se začnou rozpadat.

Baterie smartphonů často nenabíjejí nabíjení ani po roce nebo tak a mohou dokonce způsobit nestabilitu hardwaru, reset nebo dokonce přestanou fungovat po několika letech používání. U polovodičových baterií by chytré telefony a další zařízení mohly vydržet mnohem déle, aniž by bylo potřeba náhradní buňky.

V bateriích je spousta pevných chemických sloučenin, nejen jedna.

Hovoření o tekutinách versus pevné baterie je však příliš zjednodušené, protože v bateriích existuje spousta pevných chemických látek, nejen jedna.

Typy polovodičových elektrolytů

Existuje osm různých hlavních kategorií polovodičových baterií, z nichž každá používá pro elektrolyt různé materiály. Jsou to Li-Halide, Perovskite, Li-Hydride, NASICON-like, Garnet, Argyrodite, LiPON a LISICON-like.

Vzhledem k tomu, že se stále zabýváme objevující se technologií, vědci se stále potýkají s nejlepšími typy elektrolytů v pevné fázi, které lze použít pro různé kategorie produktů. Žádný zatím nevyjel jako jasný vůdce, ale buňky založené na sulfidech, LiPON a Garnet jsou v současné době považovány za nejslibnější.

Pravděpodobně jste si všimli, že mnoho z těchto typů je stále založeno na lithiu (Li), protože stále používají lithiové elektrody. Mnoho z nich se však rozhodlo pro nové materiály anodových a katodových elektrod, aby se zlepšil výkon.

Tenkovrstvé baterie

Dokonce iu typů pevných baterií existují dva jasně řezané podtypy - tenký film a objem. Jedním z nejúspěšnějších typů tenkých filmů, který je již na trhu, je LiPON, který většina výrobců vyrábí s lithiovou anodou.

Elektrolyt LiPON nabízí vynikající vlastnosti v oblasti hmotnosti, tloušťky a dokonce i flexibility, což z něj činí slibný typ článku pro nositelnou elektroniku a přístroje, které vyžadují malé články. Vrátíme-li se k tématu buněk s delší životností, LiPON také prokázal vynikající stabilitu s pouze 5% snížením kapacity po 40 000 nabíjecích cyklech.

Baterie LiPON by mohly vydržet kdekoli od 40 do 130krát déle než Li-ion baterie, než budou muset vyměnit.

Pro srovnání, lithium-iontové baterie nabízejí pouze mezi 300 a 1000 cykly, než vykazují podobný nebo větší pokles kapacity. To znamená, že LiPON baterie mohou vydržet kdekoli od 40 do 130krát déle než Li-ion baterie, než je třeba vyměnit.

Nevýhodou LiPONu je, že jeho celková kapacita ukládání energie a vodivost jsou ve srovnání s tím spíše slabé. Alternativní technologie polovodičových baterií by však mohla být klíčem k prodloužení výdrže baterií smartwatches, což v současné době odkládá řadu zákazníků od vyzvednutí nošení.

Větší, objemnější baterie

Baterie v pevné fázi zatím nejsou vhodné pro větší buňky, které se nacházejí v chytrých telefonech a tabletech, natož notebooky nebo elektromobily. U větších objemových polovodičových baterií s větší kapacitou je nutná vynikající vodivost, která se blíží kapalným elektrolytům nebo je s nimi srovnatelná, což vylučuje jinak slibné technologie, jako je LiPON. Iontové vedení měří schopnost iontů pohybovat se přes materiál a dobré vedení je požadavek větších buněk zajistit požadovaný proud.

LISICON a LiPS předběhly výzkum baterií LiPO, LiS a SiS, předchozích lídrů v oblasti pevných látek. Tyto typy však stále trpí nižší vodivostí než organické a kapalné elektrolyty při pokojové teplotě, což je činí nepraktickými pro komerční výrobky.

Vysoce vodivý

Zde přichází výzkum elektrolytů granát-oxid (LLZO), protože se může pochlubit vysokou iontovou vodivostí při pokojové teplotě.

Materiál dosahuje vedení, které přichází jen nepatrně za výsledky nabízené tekutými lithium-iontovými buňkami, a nové studie o LGPS naznačují, že tento materiál by se mu dokonce mohl vyrovnat.

To by znamenalo polovodičové baterie s přibližně stejnou energií a kapacitou jako dnešní Li-iontové články, zatímco vidění výhod, jako je zmenšení velikosti a delší životnost, se stanou skutečností.

Granát je také stabilní ve vzduchu a vodě, takže je vhodný i pro Li-Air baterie. Bohužel musí být vyroben pomocí nákladného slinovacího procesu.

To v současné době činí neatraktivní návrh na použití ve spotřebitelských bateriích ve srovnání s nízkými náklady na lithium-iontové články. V budoucnu budou pravděpodobně náklady klesat, protože výrobní techniky budou vylepšeny, ale stále jsme daleko od komerčně životaschopných polovodičových baterií.

Zabalit

Je zřejmé, že stále probíhá mnoho výzkumu technologie polovodičových baterií. Podle nejčasnějších předpovědí neuvidíme zralé buňky, které by se podle nejranějších předpovědí dostaly do spotřebitelských produktů, jako jsou chytré telefony, na další 4 nebo 5 let. Pevné baterie v jiných zařízeních (jako jsou drony) se mohou objevit již v příštím roce.

Nejnovější výzkum však konečně přináší výsledky, které mohou konkurovat existujícím lithium-iontovým bateriím, pokud jde o atributy, a zároveň poskytují výhody elektrolytů v pevné fázi. Vše, co potřebujeme, je, aby výrobní procesy dospěly, a existuje celá řada velkých a připravovaných výrobců baterií se zdroji, aby se to stalo skutečností.

Stručně řečeno, hlavní výhody všech těchto chemických rozdílů z pohledu spotřebitele jsou: až 6krát rychlejší nabíjení, až dvojnásobek energetické hustoty, delší životnost cyklu až 10 let ve srovnání se 2 a žádné hořlavé složky. Určitě to bude výhoda pro chytré telefony a další přenosné přístroje.