Что такое твердотельные батареи и почему они важны?

Технология аккумуляторов прошла долгий путь за эти годы. Такие гаджеты, как дроны и смартфоны, были бы непрактичны без передовых современных аккумуляторных технологий.

Однако аккумуляторы всегда могут быть лучше!

Твердотельные батареи кажутся следующим большим достижением, и продукты, которые их используют, уже не за горами. Это означает, что сейчас самое подходящее время, чтобы ознакомиться с тем, что они из себя представляют и почему они важны.

Что означает «твердое состояние»?

Будь то свинцово-кислотный автомобильный аккумулятор, одноразовые щелочные аккумуляторы или литий-полимерные аккумуляторы в телефоне, все они используют жидкий электролит. Электролит представляет собой проводящее вещество, соединяющее две внутренние клеммы аккумулятора. Электроны проходят через электролит, позволяя батарее либо накапливать электрический заряд, либо разряжать его.

В твердотельных батареях вместо традиционного жидкого электролита используется твердый электролит. Это единственное принципиальное различие между двумя аккумуляторными технологиями. Звучит достаточно просто, но инженеры и ученые десятилетиями пытались создать твердый материал, который мог бы действовать как электролит.

Что сложного в твердотельных батареях?

Различные материалы, такие как керамика и металлы лития, потенциально могут использоваться в качестве твердотельных электролитов. Проблема в том, что керамический подход привел к плохой работе батареи. Литий-металлы многообещающи, но имеют фатальный недостаток. Когда батарея заряжается и разряжается, в электролите прорастают металлические «дендриты». Аккумулятор может закоротить и стать источником опасности.

Поиск практических и экономически выгодных решений этих проблем был задачей нескольких компаний и исследовательских групп в течение последних нескольких лет. Теперь эта работа должна окупиться.

Зачем проходить через все эти проблемы? Давайте посмотрим на преимущества, которые обещают твердотельные батареи по сравнению с традиционными.

Безопасность

Батареи хранят большое количество энергии, и всегда существует опасность, что эта энергия может быть высвобождена неконтролируемым образом. Когда это происходит, это может означать пожар, взрывы и другие нежелательные последствия. Твердотельные батареи, если проблема с дендритами будет решена, обещают быть более безопасными и стабильными. Во-первых, они не воспламеняются, поэтому возгорания батарей должны быть в прошлом.

Это важно не только для электромобилей, таких как автомобили и дроны, но и для личной электроники, такой как смартфоны и ноутбуки. Ежегодно многие люди получают травмы из-за возгорания аккумуляторов в своих электронных гаджетах. В результате целые дома были сожжены дотла!

Скорость перезарядки

Современные литиевые батареи могут заряжаться с впечатляющей скоростью, но для их полной зарядки требуется много времени. Существует предел тому, сколько энергии вы можете вложить в традиционную ионно-литиевую батарею, прежде чем все пойдет наперекосяк. Твердотельные батареи обещают заряжаться в шесть раз быстрее, чем батареи, которые мы используем в настоящее время. Это означает зарядку телефона от нуля до полного за пять минут или зарядку электромобиля до 80% за 15.

Энергоемкость и размер

Литий-ионные батареи в настоящее время имеют самую высокую плотность энергии среди всех типов батарей, продаваемых населению. И все же он во много раз менее плотный, чем бензин. Хотя твердотельные батареи не доводят батареи до уровня газовых, они обещают более чем удвоить плотность энергии на единицу объема.

Другими словами, если вы заменили аккумулятор в своем телефоне на твердотельную модель, теоретически он мог бы работать в два раза дольше, не увеличиваясь в размерах. Это еще один большой аргумент в пользу продажи электромобилей, которые не так популярны, как могли бы быть, из-за беспокойства о запасе хода.

Срок службы и долговечность

Большинство современных литий-ионных аккумуляторов начинают разлагаться примерно после 500 полных циклов зарядки-разрядки. После этого батарея начинает терять свою емкость до тех пор, пока вообще не сможет удерживать заряд. В смартфонах, которые в настоящее время, как правило, имеют герметичные батареи, это накладывает жесткие ограничения на срок службы устройства. Твердотельные батареи обещают значительно увеличить этот предел. Целых пять раз.

Таким образом, в то время как обычная батарея телефона для повседневного использования может начать разряжаться через два-три года, твердотельная батарея будет оставаться на своей номинальной емкости до пятнадцати лет. В электромобилях, где замена батарей обходится чрезвычайно дорого, это может существенно повлиять на стоимость владения для этого класса транспортных средств.

Слабые стороны твердотельных аккумуляторов

Если все это звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой, есть несколько предостережений по поводу технологии. Некоторые из них еще предстоит решить, прежде чем будет достигнуто широкое распространение технологии твердотельных аккумуляторов.

• Стоимость , пожалуй, главный враг. Исследовательские группы и начинающие компании усердно работают над тем, чтобы сделать процесс производства этих батарей более дешевым и масштабируемым. Некоторые компании утверждают, что они близки, но мы не узнаем, насколько они успешны, пока не увидим реальные цены на продукты с этими батареями.

• Эти батареи также борются с низкими температурами . Поэтому решения, которые включают их изоляцию или поддержание их при хорошей рабочей температуре, являются частью проблемы.

Когда можно купить твердотельные батареи?

Есть несколько компаний, таких как Solid Power и QuantumScape, которые утверждают, что находятся на пороге коммерческого применения твердотельных батарей.

Toyota планирует выпустить электромобили на твердотельных батареях в продажу уже в 2021 году. И Solid Power, и QuantumScape стремятся выпустить аккумуляторы для автомобилей в 2022 и 2024 годах соответственно. Это означает, что в ближайшие пару лет мы можем оказаться в самом начале аккумуляторной революции.

Это еще до того, как мы перейдем к возможностям, связанным с использованием графена. Этот удивительный материал обещает еще лучшие аккумуляторы, независимо от того, содержат ли они жидкие или твердые электролиты. Ученым и инженерам удавалось заставить графен играть в мяч дольше, чем ожидалось, но вы уже можете купить гибридный аккумулятор на основе графена прямо сейчас. Воистину, будущее уже здесь.