Akumulator ze stałym elektrolitem to taki, w którym wszystkie komponenty są stałe, w przeciwieństwie do konwencjonalnych akumulatorów wtórnych , takich jak akumulatory litowo-jonowe, które wykorzystują metalowe elektrody (katodę i anodę) oddzielone ciekłym elektrolitem. Z kolei akumulatory ze stałym elektrolitem wykorzystują stały elektrolit.
Oczekuje się, że stałe elektrolity ułatwią tworzenie akumulatorów o większej pojemności i mocy niż akumulatory litowo-jonowe. Ponadto, przejście na stałe elektrolity oferuje większe bezpieczeństwo niż akumulatory litowo-jonowe , co czyni je atrakcyjnymi do stosowania w pojazdach elektrycznych i innych zastosowaniach.
W związku z tym uważa się, że baterie półprzewodnikowe oferują różne zalety, gdy staną się praktyczne. Obecnie wiele firm podejmuje konkurencyjne wysiłki w celu rozwoju produktu i osiągnięcia masowej produkcji, aby sprostać zapotrzebowaniu na duże ilości.
Jak działają baterie ze stałym elektrolitem?
Baterie ze stałym elektrolitem działają w oparciu o mechanizm podobny do baterii litowo-jonowych, jeśli chodzi o pozyskiwanie energii elektrycznej. Metal stanowi materiał elektrody, a jony przemieszczają się przez stały elektrolit między katodą a anodą, generując przepływ prądu. Kluczową różnicą jest zastosowanie stałego elektrolitu.
W przeciwieństwie do elektrolitów ciekłych, które wymagają separatora zapobiegającego gwałtownemu mieszaniu się elektrolitów pomiędzy katodą i anodą, w bateriach ze stałym elektrolitem separator ten jest eliminowany.
Kluczowym celem badań nad bateriami półprzewodnikowymi jest odkrycie i rozwój odpowiednich materiałów półprzewodnikowych. Historycznie brakowało materiałów półprzewodnikowych, które umożliwiałyby ruch jonów w baterii, generując wystarczający prąd elektryczny dla elektrod. Jednak niedawne odkrycia takich materiałów przyspieszyły rozwój baterii półprzewodnikowych. Przejście z elektrolitów ciekłych na stałe umożliwia efektywną mobilność jonów w bateriach, ułatwiając tworzenie baterii o większej pojemności i wyższej mocy wyjściowej niż baterie litowo-jonowe.
Przeczytaj także: Czym jest akumulator kwasowo-ołowiowy?
Jakie są rodzaje baterii ze stałym elektrolitem?
Baterie ze stałym elektrolitem dzielą się na dwie główne kategorie w zależności od metody produkcji, a różnią się one pod względem możliwości magazynowania energii.
1. Baterie półprzewodnikowe hurtowe:
- W tego typu akumulatorach elektrody i elektrolit są wykonane z materiałów proszkowych.
- Mają zdolność magazynowania znacznych ilości energii.
- Stosowany głównie w większych zastosowaniach, takich jak pojazdy elektryczne.
2. Akumulatory cienkowarstwowe ze stałym elektrolitem:
- Powstają one poprzez osadzanie cienkiej warstwy elektrolitu na elektrodach w środowisku próżniowym.
- Choć posiadają ograniczoną magazynowanie energii pojemności, oferują one zaletę dłuższego cyklu życia i prostej produkcji.
- Najlepiej nadaje się do małych urządzeń, takich jak czujniki ze względu na ich kompaktowe rozmiary.
Jakie są zalety baterii ze stałym elektrolitem w porównaniu z bateriami litowo-jonowymi?
Baterie ze stałym elektrolitem, uważane za następną generację baterii wtórnych, oferują kilka istotnych zalet:
1. Zwiększona tolerancja temperaturowa:
W akumulatorach litowo-jonowych stosuje się łatwopalne elektrolity na bazie rozpuszczalników organicznych, co budzi obawy co do ich wydajności w warunkach wysokich temperatur.
Z drugiej strony, baterie ze stałym elektrolitem zawierają materiały niepalne , dzięki czemu doskonale nadają się do stosowania w środowiskach o wysokiej temperaturze.
Ponadto, w niskich temperaturach ciekłe elektrolity mogą utrudniać ruch jonów, co skutkuje obniżeniem wydajności akumulatora i spadkiem napięcia. Akumulatory ze stałym elektrolitem (solid state) zachowują jednak bardziej stabilną wydajność, ponieważ ich stała struktura zapobiega zamarzaniu nawet w niskich temperaturach.
2. Możliwość szybkiego ładowania:
Wysoka odporność na temperaturę akumulatorów półprzewodnikowych sprzyja również szybkiemu ładowaniu. Szybkie ładowanie generuje więcej ciepła, a akumulatory półprzewodnikowe, ze względu na swoją odporność termiczną, powinny umożliwiać szybsze ładowanie w porównaniu z obecnymi akumulatorami litowo-jonowymi.
3. Wydłużona żywotność:
Żywotność akumulatora w znacznym stopniu zależy od właściwości elektrolitu. Chociaż w akumulatorach litowo-jonowych zużycie elektrod jest minimalne, długotrwałe użytkowanie może prowadzić do degradacji elektrolitu.
Z kolei baterie ze stałym elektrolitem charakteryzują się mniejszym pogorszeniem jakości elektrolitu niż ich odpowiedniki na bazie cieczy, co potencjalnie wydłuża ich żywotność.
4. Uniwersalne formaty:
Ciekłe elektrolity nakładają ograniczenia konstrukcyjne, aby zapobiec wyciekom. Z kolei baterie półprzewodnikowe oferują większą elastyczność projektowania. Można je wytwarzać w różnych kształtach, w tym w mniejszych, cieńszych i elastycznych konfiguracjach, co pozwala na różnorodne zastosowania, w tym nakładanie i zginanie, bez obawy o wyciek elektrolitu.
Przeczytaj także: Akumulatory kwasowo-ołowiowe czy litowo-jonowe – które są lepsze?
Jakie są zastosowania baterii ze stałym elektrolitem?
Baterie ze stałym elektrolitem mają szeroki zakres potencjalnych zastosowań:
- Pojazdy elektryczne: Te baterie oferują zwiększone bezpieczeństwo poprzez wyeliminowanie łatwopalnych komponentów, zmniejszając ryzyko zapłonu w wypadkach. Umożliwiają również szybsze ładowanie w porównaniu do baterii litowo-jonowych.
- Elektronika: Ich odporność na ciepło pozwala na bezpośrednie lutowanie do podłoży elektronicznych, dzięki czemu nadają się do zasilania zapasowego urządzeń elektronicznych i czujników IoT. Mogą wydłużyć czas działania komputerów i smartfonów.
- Transport: Większa pojemność i wyższa moc wyjściowa akumulatorów ze stałym elektrolitem sprawiają, że nadają się one do stosowania w samolotach i statkach, zwiększając możliwości magazynowania i dostarczania energii.
- Eksploracja kosmosu: Odporność tych baterii na temperaturę sprawia, że można je stosować w urządzeniach kosmicznych, gdzie wahania temperatur wahają się od ekstremalnie niskich do ekstremalnie wysokich.
Warto przeczytać: Czym jest akumulator szczelny (SMF)?
