Co to są baterie półprzewodnikowe i dlaczego są ważne?

Technologia baterii przeszła długą drogę przez lata. Gadżety, takie jak drony i smartfony, byłyby niepraktyczne bez zaawansowanej, nowoczesnej technologii baterii.

Jednak baterie zawsze mogą być lepsze!

Baterie półprzewodnikowe wydają się być kolejnym wielkim postępem, a produkty, które ich używają, są tuż za rogiem. Oznacza to, że teraz jest idealny czas na zapoznanie się z tym, czym one są i dlaczego są ważne.

Co oznacza „Solidne państwo”?

Niezależnie od tego, czy jest to akumulator samochodowy kwasowo-ołowiowy, alkaliczne artykuły jednorazowego użytku, czy baterie litowo-polimerowe w telefonie, wszystkie one wykorzystują płynny elektrolit. Elektrolit jest substancją przewodzącą, która łączy dwa wewnętrzne zaciski akumulatora. Elektrony przepływają przez elektrolit, pozwalając akumulatorowi albo zgromadzić ładunek elektryczny, albo go rozładować.

Akumulator półprzewodnikowy wykorzystuje elektrolit stały zamiast tradycyjnego elektrolitu płynnego. To jedyna zasadnicza różnica między dwiema technologiami akumulatorów. Brzmi to dość prosto, ale inżynierowie i naukowcy od dziesięcioleci walczyli o stworzenie solidnego materiału, który mógłby działać jak elektrolit.

Co jest trudnego w bateriach półprzewodnikowych?

Różne materiały, takie jak ceramika i metale litowe, mają potencjał jako elektrolity w stanie stałym. Problem polega na tym, że ceramiczne podejście spowodowało słabą wydajność baterii. Metale litowe są obiecujące, ale mają fatalną wadę. Gdy akumulator jest ładowany i rozładowywany, metalowe „dendryty” wyrastają z elektrolitu. Akumulator może ulec zwarciu i stać się zagrożeniem.

Znalezienie praktycznych i ekonomicznie opłacalnych rozwiązań tych problemów było misją kilku firm i zespołów badawczych w ciągu ostatnich kilku lat. Teraz ta praca ma się opłacić.

Po co przechodzić przez te wszystkie kłopoty? Przyjrzyjmy się korzyściom, jakie obiecują baterie półprzewodnikowe w porównaniu z tradycyjnymi.

Bezpieczeństwo

Baterie przechowują duże ilości energii i zawsze istnieje niebezpieczeństwo, że energia ta może zostać uwolniona w niekontrolowany sposób. Kiedy tak się dzieje, może to oznaczać pożar, wybuchy i inne niepożądane skutki. Baterie półprzewodnikowe, zakładając, że problem dendrytów został rozwiązany, obiecują być bezpieczniejsze i stabilniejsze. Po pierwsze, nie są łatwopalne, więc pożary baterii powinny być przeszłością.

Jest to ważne nie tylko w przypadku pojazdów elektrycznych, takich jak samochody i drony, ale także elektroniki osobistej, takiej jak smartfony i laptopy. Wiele osób co roku jest rannych w wyniku pożarów baterii w ich elektronicznych gadżetach. W rezultacie całe domy zostały doszczętnie spalone!

Szybkość ładowania

Nowoczesne akumulatory litowe mogą ładować się z imponującą prędkością, ale ich napełnienie nadal zajmuje dużo czasu. Istnieje limit energii, jaką można wlać do tradycyjnej baterii litowo-jonowej, zanim wszystko pójdzie na boki. Baterie półprzewodnikowe obiecują ładować nawet sześć razy szybciej niż baterie, których obecnie używamy. Oznacza to naładowanie telefonu od pustego do pełnego w pięć minut lub naładowanie samochodu elektrycznego do 80% w 15.

Pojemność energetyczna i rozmiar

Baterie litowo-jonowe mają obecnie najwyższą gęstość energii spośród wszystkich sprzedawanych na rynku baterii. Jednak wciąż jest wielokrotnie mniej gęsty niż benzyna. Chociaż baterie półprzewodnikowe nie dorównują akumulatorom gazowym, obiecują ponad dwukrotnie większą gęstość energii na objętość.

Innymi słowy, jeśli zmienisz baterię w telefonie za pomocą modelu półprzewodnikowego, teoretycznie może on działać dwa razy dłużej bez zwiększania rozmiaru. To kolejna wielka zaleta pojazdów elektrycznych, które nie są tak popularne, jak mogłyby być, ze względu na niepokój o zasięg.

Żywotność i trwałość

Większość obecnych akumulatorów litowo-jonowych zaczyna ulegać degradacji po około 500 pełnych cyklach ładowania i rozładowania. Po tym momencie bateria zaczyna tracić swoją pojemność, aż ledwo może utrzymać ładunek. W smartfonach, które obecnie mają zwykle szczelne baterie, oznacza to twardą granicę żywotności urządzenia. Baterie półprzewodnikowe obiecują znacznie zwiększyć ten limit. Aż pięć razy.

Tak więc, gdy typowa bateria telefonu codziennego użytku może zacząć się pogarszać po dwóch do trzech latach, bateria półprzewodnikowa utrzyma swoją pojemność znamionową nawet przez piętnaście lat. W samochodach elektrycznych, w których wymiana akumulatorów jest niezwykle kosztowna, może to mieć dramatyczny wpływ na koszty posiadania pojazdów tej klasy.

Słabe strony baterii półprzewodnikowych

Jeśli to wszystko brzmi zbyt pięknie, aby mogło być prawdziwe, istnieje kilka zastrzeżeń dotyczących technologii. Niektóre z nich nadal wymagają rozwiązania, zanim nastąpi powszechne przyjęcie technologii akumulatorów półprzewodnikowych.

• Koszt jest prawdopodobnie największym wrogiem. Zespoły badawcze i firmy rozpoczynające działalność intensywnie pracują nad tym, aby proces produkcji tych akumulatorów był tańszy i skalowalny. Niektóre firmy twierdzą, że są blisko, ale nie dowiemy się, jak odniosły sukces, dopóki nie zobaczymy rzeczywistych cen produktów z tymi bateriami.

• Akumulatory te zmagają się również z niskimi temperaturami . Dlatego też częścią wyzwania są rozwiązania polegające na ich zaizolowaniu lub utrzymywaniu w dobrej temperaturze roboczej.

Kiedy można kupić baterie półprzewodnikowe?

Istnieje kilka firm, takich jak Solid Power i QuantumScape, które twierdzą, że znajdują się na szczycie komercyjnych zastosowań baterii półprzewodnikowych.

Toyota planuje sprzedawać pojazdy elektryczne na baterie półprzewodnikowe już w 2021 roku. Zarówno Solid Power, jak i QuantumScape dążą do wprowadzenia akumulatorów do pojazdów odpowiednio w 2022 i 2024 roku. Oznacza to, że w ciągu najbliższych kilku lat możemy być na początku rewolucji akumulatorowej.

To jeszcze zanim przejdziemy do możliwości, jakie daje użycie grafenu. Ten cudowny materiał obiecuje jeszcze lepsze akumulatory, niezależnie od tego, czy zawierają w sobie elektrolity płynne, czy stałe. Wprowadzenie grafenu do gry w piłkę wymykało się naukowcom i inżynierom dłużej niż oczekiwano, ale już teraz możesz kupić hybrydowy powerbank grafenowy. Naprawdę, przyszłość jest tutaj.