Περιεχόμενο

• Εξοικονόμηση χώρου
• Μεγαλύτερη διάρκεια ζωής
• Τύποι ηλεκτρολυτών στερεάς κατάστασης
• Μπαταρίες λεπτής μεμβράνης
• Μεγαλύτερες, ογκώδεις μπαταρίες
• Πολύ αγώγιμο
• Τύλιξε

Πριν από μερικές εβδομάδες, η Kris μας εισήγαγε το θέμα των συσσωρευτών στερεάς κατάστασης και πώς θα μπορούσε να είναι η επόμενη μεγάλη πρόοδος στην τεχνολογία μπαταριών smartphone. Εν ολίγοις, οι στερεές μπαταρίες είναι ασφαλέστερες, μπορούν να συσκευάζονται σε περισσότερους χυμούς και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για ακόμα πιο αδύναμες συσκευές. Δυστυχώς, είναι απαγορευτικά δαπανηρή η τοποθέτησή τους σε κύτταρα smartphone μέσου μεγέθους, αλλά αυτό μπορεί να αλλάξει τα επόμενα χρόνια.

Έτσι, αν αναρωτιέστε τι ακριβώς είναι μια μπαταρία στερεάς κατάστασης και πώς είναι διαφορετική από τα σημερινά λιθιο-ιόντα κύτταρα, διαβάστε παρακάτω.

Η βασική διαφορά μεταξύ της συνηθισμένης μπαταρίας ιόντων λιθίου και μιας μπαταρίας στερεάς κατάστασης είναι ότι η πρώτη χρησιμοποιεί μια υγρή ηλεκτρολυτική λύση για τη ρύθμιση της ροής ρεύματος, ενώ οι στερεές μπαταρίες επιλέγουν έναν σταθερό ηλεκτρολύτη. Ο ηλεκτρολύτης μιας μπαταρίας είναι ένα αγώγιμο χημικό μίγμα που επιτρέπει τη ροή ρεύματος μεταξύ της ανόδου και της καθόδου.

Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης εξακολουθούν να λειτουργούν με τον ίδιο τρόπο όπως και οι μπαταρίες, αλλά η αλλαγή στα υλικά αλλάζει κάποια από τα χαρακτηριστικά της μπαταρίας, συμπεριλαμβανομένης της μέγιστης χωρητικότητας αποθήκευσης, των χρόνων φόρτισης, του μεγέθους και της ασφάλειας.

Το ρεύμα εντός μιας μπαταρίας διέρχεται μεταξύ της ανόδου και της καθόδου μέσω ενός αγώγιμου ηλεκτρολύτη, ενώ οι διαχωριστές χρησιμοποιούνται για την πρόληψη βραχυκυκλώματος.

Εξοικονόμηση χώρου

Το άμεσο όφελος από τη μετάβαση από υγρό σε στερεό ηλεκτρολύτη είναι ότι η ενεργειακή πυκνότητα της μπαταρίας μπορεί να αυξηθεί. Αυτό συμβαίνει επειδή αντί να απαιτούνται μεγάλοι διαχωριστές μεταξύ των υγρών κυψελών, οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης απαιτούν πολύ λεπτό εμπόδιο για την αποφυγή βραχυκυκλώματος.

Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης μπορούν να συσκευάζονται σε διπλάσια ποσότητα ενέργειας από το Li-ion

Οι συμβατικοί διαχωριστές μπαταρίας που είναι εμποτισμένοι με υγρό έρχονται με πάχος 20-30 micron. Η τεχνολογία στερεάς κατάστασης μπορεί να μειώσει τους διαχωριστές μέχρι 3-4 μικρά το καθένα, εξοικονομώντας χώρο περίπου 7 φορές μόνο με την εναλλαγή υλικών.

Ωστόσο, αυτοί οι διαχωριστές δεν είναι το μόνο συστατικό στοιχείο στο εσωτερικό της μπαταρίας και άλλα κομμάτια δεν μπορούν να συρρικνωθούν τόσο πολύ, θέτοντας ένα όριο στις δυνατότητες εξοικονόμησης χώρου των στερεών μπαταριών.

Ακόμα κι έτσι, οι συσσωρευτές στερεάς κατάστασης μπορούν να συσκευάσουν μέχρι και διπλάσια ενέργεια από το Li-ion, όταν αντικαθιστούν την άνοδο με μια μικρότερη εναλλακτική λύση.

Μεγαλύτερη διάρκεια ζωής

Οι ηλεκτρολύτες σε στερεή κατάσταση είναι συνήθως λιγότερο αντιδραστικοί από το σημερινό υγρό ή πήκτωμα, επομένως αναμένεται ότι θα διαρκέσουν πολύ περισσότερο και δεν θα χρειαστεί να αντικατασταθούν μετά από μόλις 2 ή 3 χρόνια. Αυτό σημαίνει επίσης ότι αυτές οι μπαταρίες δεν θα εκραγούν ούτε θα αναφλεγούν αν είναι κατεστραμμένες ή υποφέρουν από κατασκευαστικά ελαττώματα, που σημαίνει ασφαλέστερα προϊόντα για τους καταναλωτές.

Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης δεν θα εκραγούν ούτε θα αναφλεγούν αν είναι κατεστραμμένες ή υποφέρουν από κατασκευαστικά ελαττώματα.

Στα σημερινά smartphones, οι αντικαταστάσιμες μπαταρίες συχνά αναζητούνται για όσους επιθυμούν να χρησιμοποιήσουν το ίδιο τηλέφωνο για πολλά χρόνια, καθώς μπορούν να αντικατασταθούν μόλις αρχίσουν να σπάσουν.

Οι μπαταρίες Smartphone συχνά δεν κατέχουν τη χρέωση τους μετά από περίπου ένα χρόνο ή και έτσι και μπορεί ακόμη και να αναγκάσουν το υλικό να γίνει ασταθές, επαναφορά ή ακόμα και να σταματήσει να λειτουργεί μετά από αρκετά χρόνια χρήσης. Με τις μπαταρίες στερεάς κατάστασης, τα smartphones και άλλα gadgets θα μπορούσαν να διαρκέσουν πολύ περισσότερο χωρίς να χρειαστεί μια αντικατάσταση κελί.

Υπάρχουν πολλές στερεές χημικές ενώσεις που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε μπαταρίες, όχι μόνο μία.

Η συζήτηση των υγρών έναντι των στερεών μπαταριών είναι μια υπεραπλούστευση του θέματος εν τούτοις, καθώς υπάρχουν πολλές στερεές χημικές ενώσεις που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε μπαταρίες, όχι μόνο μία.

Τύποι ηλεκτρολυτών στερεάς κατάστασης

Υπάρχουν οκτώ διαφορετικές μεγάλες κατηγορίες ηλεκτρικών στηλών, οι οποίες χρησιμοποιούν διαφορετικά υλικά για τον ηλεκτρολύτη. Αυτά είναι το Li-Halide, το Perovskite, το Li-Hydride, το NASICON-like, το Garnet, το Argyrodite, το LiPON και το LISICON.

Καθώς συνεχίζουμε να ασχολούμαστε με μια αναδυόμενη τεχνολογία, οι ερευνητές εξακολουθούν να αντιμετωπίζουν τους καλύτερους τύπους ηλεκτρολυτών στερεάς κατάστασης που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για διαφορετικές κατηγορίες προϊόντων. Κανείς δεν έχει έρθει ως σαφείς ηγέτες ακόμα, αλλά τα σουλφίδια, LiPON και Garnet κύτταρα θεωρούνται σήμερα τα πιο ελπιδοφόρα.

Ίσως έχετε παρατηρήσει ότι πολλοί από αυτούς τους τύπους εξακολουθούν να βασίζονται στο λίθιο (Li), διότι εξακολουθούν να χρησιμοποιούν ηλεκτρόδια λιθίου. Αλλά πολλοί επιλέγουν νέα υλικά ανόδου και ηλεκτροδίων καθόδου για βελτίωση της απόδοσης.

Μπαταρίες λεπτής μεμβράνης

Ακόμη και σε τύπους μπαταριών στερεάς κατάστασης, υπάρχουν δύο σαφείς υποτύποι κοπής - λεπτό φιλμ και χύμα. Ένας από τους πιο επιτυχημένους τύπους λεπτής μεμβράνης που κυκλοφορεί ήδη στην αγορά είναι η LiPON, την οποία η πλειοψηφία των κατασκευαστών παράγει με ανόνη λιθίου.

Ο ηλεκτρολύτης LiPON προσφέρει εξαιρετικό βάρος, πάχος και ακόμα και χαρακτηριστικά ευελιξίας, καθιστώντας τον έναν πολλά υποσχόμενο κυτταρικό τύπο για φορητά ηλεκτρονικά και συσκευές που απαιτούν μικρά κελιά. Επιστρέφοντας στο αντικείμενο μακρύτερων κυψελών, η LiPON έχει επίσης επιδείξει εξαιρετική σταθερότητα με μόνο 5% μείωση της χωρητικότητας μετά από 40.000 κύκλους φόρτισης.

Οι μπαταρίες LiPON μπορούν να διαρκέσουν από 40 έως 130 φορές περισσότερο από τις μπαταρίες ιόντων λιθίου πριν να αντικαταστήσουν.

Για λόγους σύγκρισης, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου προσφέρουν μόνο μεταξύ 300 και 1000 κύκλους πριν παρουσιάσουν παρόμοια ή μεγαλύτερη μείωση της χωρητικότητας. Αυτό σημαίνει ότι οι μπαταρίες LiPON θα μπορούσαν να διαρκέσουν από 40 έως 130 φορές περισσότερο από τις μπαταρίες ιόντων λιθίου πριν να αντικαταστήσουν.

Το μειονέκτημα της LiPON είναι ότι η συνολική χωρητικότητα αποθήκευσης ενέργειας και η αγωγιμότητά της είναι μάλλον φτωχά σε σύγκριση. Ωστόσο, οι εναλλακτικές τεχνολογίες στερεάς κατάστασης μπαταριών θα μπορούσαν να αποτελέσουν το κλειδί για την αύξηση της διάρκειας ζωής της μπαταρίας σε smartwatches, η οποία αναβάλλει επί του παρόντος ορισμένους πελάτες να πάρουν ένα φορητό.

Μεγαλύτερες, ογκώδεις μπαταρίες

Μέχρι στιγμής, οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης δεν είναι ακόμα κατάλληλες για μεγαλύτερα κελιά που βρίσκονται σε smartphones και tablet, πόσο μάλλον φορητούς υπολογιστές ή ηλεκτρικά αυτοκίνητα. Για μεγαλύτερες χύδην μπαταρίες στερεάς κατάστασης με μεγαλύτερη χωρητικότητα απαιτείται ανώτερη αγωγιμότητα που προσεγγίζει ή αντιστοιχεί σε υγρούς ηλεκτρολύτες, πράγμα που αποκλείει διαφορετικά πολλά υποσχόμενες τεχνολογίες όπως το LiPON. Η ιωνική αγωγιμότητα μετρά την ικανότητα των ιόντων να κινούνται μέσα από ένα υλικό και η καλή αγωγιμότητα είναι μια απαίτηση μεγαλύτερων κυψελών για την εξασφάλιση του απαιτούμενου ρεύματος.

Η LISICON και η LiPS έχουν ξεπεράσει την έρευνα για τις μπαταρίες LiPO, LiS και SiS, τους προηγούμενους ηγέτες στον τομέα της στερεάς κατάστασης. Ωστόσο, αυτοί οι τύποι εξακολουθούν να υποφέρουν από χαμηλότερη αγωγιμότητα από τους οργανικούς και υγρούς ηλεκτρολύτες σε θερμοκρασία δωματίου, καθιστώντας τους μη πρακτικούς για εμπορικά προϊόντα.

Πολύ αγώγιμο

Εδώ έρχεται η έρευνα για ηλεκτρολύτες από οξείδιο του γρανίτη (LLZO), καθώς διαθέτει υψηλή ιοντική αγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου.

Το υλικό επιτυγχάνει μια αγωγιμότητα που έρχεται μόνο ελαφρώς πίσω από τα αποτελέσματα που προσφέρουν τα υγρά κύτταρα ιόντων λιθίου και νέες μελέτες σε LGPS δείχνουν ότι αυτό το υλικό θα μπορούσε να το ταιριάξει.

Αυτό θα σήμαινε μπαταρίες στερεάς κατάστασης περίπου ισοδύναμης ισχύος και χωρητικότητας όπως τα σημερινά κύτταρα Li-ion, ενώ θα μπορούσαν να γίνουν πραγματικότητα οφέλη όπως το μειωμένο μέγεθος και η μεγαλύτερη διάρκεια ζωής.

Ο γρανάτης είναι επίσης σταθερός στον αέρα και το νερό, καθιστώντας τον κατάλληλο και για μπαταρίες Li-Air. Δυστυχώς, πρέπει να κατασκευαστεί χρησιμοποιώντας μια δαπανηρή διαδικασία πυροσυσσωμάτωσης.

Αυτή τη στιγμή καθιστά μια ελκυστική πρόταση για χρήση σε καταναλωτικές μπαταρίες σε σύγκριση με το χαμηλό κόστος των κυψελών ιόντων λιθίου. Στο μέλλον, το κόστος είναι πιθανό να πέσει καθώς οι τεχνικές κατασκευής εξευγενίζονται αλλά εξακολουθούμε να είμαστε κάπως μακριά από μια εμπορικά βιώσιμη μπαταρία στερεάς κατάστασης.

Τύλιξε

Είναι σαφές ότι εξακολουθούν να διεξάγονται πολλές συνεχείς έρευνες σχετικά με την τεχνολογία μπαταριών στερεάς κατάστασης. Δεν πρόκειται να δούμε τα ώριμα κύτταρα να φτάσουν σε καταναλωτικά προϊόντα όπως τα smartphones για άλλα 4 ή 5 χρόνια, σύμφωνα με τις πρώτες προβλέψεις. Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης σε άλλες συσκευές (όπως τα drones) ενδέχεται να εμφανιστούν μόλις το επόμενο έτος.

Ακόμα, η τελευταία έρευνα παράγει τελικά αποτελέσματα που μπορούν να ανταγωνιστούν με τις υπάρχουσες μπαταρίες ιόντων λιθίου όσον αφορά τα χαρακτηριστικά, ενώ παράλληλα παρέχουν τα οφέλη των ηλεκτρολυτών στερεάς κατάστασης. Το μόνο που χρειαζόμαστε είναι να ωριμάσουν οι διαδικασίες παραγωγής και υπάρχουν αρκετοί μεγάλοι και επερχόμενοι κατασκευαστές μπαταριών με τους πόρους για να γίνει αυτό πραγματικότητα.

Συνοπτικά, τα βασικά οφέλη από όλες αυτές τις χημικές διαφορές από την οπτική γωνία του καταναλωτή είναι: έως και 6 φορές ταχύτερη φόρτιση, έως διπλάσια ενεργειακή πυκνότητα, μεγαλύτερη διάρκεια ζωής έως 10 χρόνια σε σύγκριση με 2 και μη εύφλεκτα συστατικά. Αυτό είναι σίγουρα θα είναι ένα όφελος για smartphones και άλλα φορητά gadgets.