Твердотельная батарея — это батарея, все компоненты которой являются твердыми, в отличие от обычных вторичных батарей , таких как литий-ионные батареи, в которых используются металлические электроды (катод и анод), разделенные жидким электролитом. Твердотельные батареи, напротив, используют твердый электролит.
Ожидается, что твердые электролиты позволят создавать батареи с большей емкостью и выходной мощностью, чем литий-ионные батареи. Кроме того, переход на твердые электролиты обеспечивает преимущества в плане безопасности по сравнению с литий-ионными батареями , что делает их привлекательными для использования в электромобилях и других областях применения.
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 батареям, в плане извлечения электроэнергии. Металл служит материалом электрода, а ионы перемещаются через твердый электролит между катодом и анодом, генерируя электрический поток. Ключевое отличие заключается в использовании 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.
Ключевое внимание в исследованиях твердотельных батарей уделяется открытию и разработке подходящих твердотельных материалов. Исторически сложилось так, что существовал недостаток твердотельных материалов, способных обеспечить движение ионов внутри батареи для генерации достаточного электрического тока для электродов. Однако недавние открытия таких материалов дали толчок развитию твердотельных батарей. Переход от жидких к твердым электролитам обеспечивает эффективную подвижность ионов внутри батарей, что способствует созданию батарей с большей емкостью и более высокой выходной мощностью, чем у литий-ионных батарей.
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, в твердотельных батареях в электролитах используются негорючие материалы , что делает их хорошо подходящими для работы в условиях высоких температур.
Кроме того, при низких температурах жидкие электролиты могут препятствовать движению ионов, что приводит к снижению производительности батареи и падению напряжения. Твердотельные батареи, однако, обеспечивают более стабильную работу, поскольку их твердая структура предотвращает замерзание даже в холодных условиях.
2. Возможность быстрой зарядки:
Высокая термостойкость твердотельных батарей также способствует быстрой зарядке. Быстрая зарядка генерирует больше тепла, и ожидается, что твердотельные батареи, благодаря своей термостойкости, будут поддерживать более высокие скорости зарядки по сравнению с современными литий-ионными батареями.
3. Увеличенный срок службы:
Срок службы батареи в значительной степени зависит от свойств электролита. Хотя литий-ионные батареи демонстрируют минимальное ухудшение состояния электродов, длительная эксплуатация может привести к деградации 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, напротив, предлагают большую гибкость в проектировании. Их можно изготавливать в различных формах, включая более мелкие, тонкие и гибкие конфигурации, что позволяет использовать их в самых разных областях, в том числе с перекрытием и изгибом, без опасений утечки электролита.
Читайте также: Свинцово-кислотные или литий-ионные батареи – какие 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.
Обязательно к прочтению: Что такое герметичная (SMF) батарея?
