Твердотельная батарея — это батарея, в которой все его компоненты прочные, в отличие от обычных вторичных батарей, как литий-ионные батареи, которые используют металлические электроды (катод и анод), разделенные жидким электролитом. Твердотельные батареи, наоборот, используют твердый электролит.
Ожидается, что твердые электролиты облегчат создание батарей с большей емкостью и выходом, чем литий-ионные батареи. Кроме того, переход на твердые электролиты обеспечивает преимущества безопасности по сравнению с литий-ионные аккумуляторы, что делает их привлекательными для использования в электромобилях и других приложениях.
Таким образом, твердотельные батареи, как полагают, предлагают различные преимущества, как только они станут практичными. В настоящее время несколько компаний участвуют в конкурентных усилиях по разработке продукта и достижению массового производства для удовлетворения спроса в больших объемах.
Как работают твердотельные батареи?
Твердотельные батареи работают по механизму, аналогичному литий-ионным аккумуляторам когда дело доходит до извлечения электричества. Металл служит в качестве материала электрода, а ионы движутся через твердый электролит между катод и анод для генерации электрического потока. Ключевое отличие — использование твердого электролита.
В отличие от жидких электролитов, которым требуется сепаратор для предотвращения резкого смешивания между катодной и анодной сторонами, твердотельные батареи устраняют необходимость в таком сепараторе.
Критический фокус в исследовании твердотельных батарей заключается в открытии и разработке подходящих твердотельных материалов. Исторически сложилось так, что не хватало твердотельных материалов, способных обеспечить движение ионов внутри батареи для генерации достаточного электрического тока для электродов. Однако, Недавние открытия таких материалов дали толчок развитию твердотельных аккумуляторов. Переход от жидких к твердым электролитам обеспечивает эффективную подвижность ионов внутри аккумуляторов, что позволяет создавать аккумуляторы с большей емкостью и более высокой выходной мощностью, чем литий-ионные аккумуляторы.
Читайте также: Что такое свинцово-кислотный аккумулятор?
Какие существуют типы твердотельных аккумуляторов?
Твердотельные аккумуляторы делятся на две основные категории в зависимости от метода производства и различаются по своим возможностям хранения энергии.
1. Твердотельные аккумуляторы большого объема:
- В этих батареях как в качестве электродов, так и в качестве электролита используются порошкообразные материалы.
- Они обладают способностью накапливать значительное количество энергии.
- В основном используется для более крупных приложений, таких как электромобили.
2. Тонкопленочные твердотельные батареи:
- Они изготавливаются путем нанесения тонкопленочного электролита на электроды в вакуумной среде.
- Хотя они обладают ограниченным хранилище энергии производительности, они обладают преимуществом длительного срока службы и простоты производства.
- Лучше всего подходит для небольших устройств, таких как датчики, благодаря своему компактному размеру.
Каковы преимущества твердотельных аккумуляторов перед литий-ионными?
Твердотельные батареи, которые, как ожидается, станут следующим поколением вторичных батарей, обладают рядом существенных преимуществ:
1. Повышенная устойчивость к температурам:
В литий-ионных аккумуляторах используются легковоспламеняющиеся электролиты на основе органических растворителей, что вызывает опасения относительно их работоспособности в условиях высоких температур.
С другой стороны, твердотельные батареи использовать негорючие материалы в своих электролитах, что делает их пригодными для высокотемпературных сред.
Кроме того, при низких температурах жидкость электролиты может препятствовать движению ионов, что приводит к снижению производительности батареи и падению напряжения. Твердотельные батареи, однако, поддерживают более стабильную производительность, поскольку их твердая природа предотвращает замерзание даже в холодных условиях.
2. Возможность быстрой зарядки:
Стойкость твердотельных аккумуляторов к высоким температурам также преимущества быстрой зарядки. Быстрая зарядка приводит к выделению большего количества тепла, а твердотельные аккумуляторы, благодаря своей термостойкости, как ожидается, будут поддерживать более высокую скорость зарядки по сравнению с существующими литий-ионными аккумуляторами.
3. Увеличенный срок службы:
Срок службы аккумулятора во многом зависит от свойств электролита. В то время как литий-ионные аккумуляторы демонстрируют минимальное ухудшение электродов, длительное использование может привести к Деградация электролита.
Напротив, в твердотельных аккумуляторах электролит изнашивается меньше, чем в жидкостных, что потенциально продлевает срок их службы.
4. Универсальные форм-факторы:
Жидкие электролиты накладывают структурные ограничения для предотвращения утечек. Твердотельные батареи, с другой стороны, обеспечивают большую гибкость дизайна. Их можно изготавливать в различных формах, включая более мелкие, тонкие и гибкие конфигурации, что позволяет использовать их в различных целях, включая перекрытие и изгиб, не опасаясь утечки электролита.
Читайте также: Свинцово-кислотные или литий-ионные аккумуляторы — что лучше?
Каковы области применения твердотельных батарей?
Твердотельные батареи имеют широкий спектр потенциальных применений:
- Электрические транспортные средства: Эти батареи обеспечивают повышенную безопасность за счет устранения легковоспламеняющихся компонентов, что снижает риск возгорания при несчастных случаях. Они также обеспечивают более быструю зарядку по сравнению с литий-ионными батареями.
- Электроника: Их термостойкая природа позволяет производить прямую пайку к электронным подложкам, что делает их пригодными для резервных источников питания электронных устройств и датчиков IoT. Они могут продлить срок службы ПК и смартфонов.
- Транспорт: Большая емкость и более высокая выходная мощность твердотельных аккумуляторов делают их пригодными для использования в самолетах и кораблях, расширяя возможности хранения и подачи энергии.
- Исследование космоса: Температурная устойчивость этих аккумуляторов позволяет применять их в космических устройствах, где колебания температур варьируются от экстремально низких до экстремально высоких.
Должен прочитать: Что такое герметичная (SMF) батарея?
