Zawartość

• Oszczędzanie przestrzeni
• Dłuższa żywotność
• Rodzaje elektrolitów półprzewodnikowych
• Baterie cienkowarstwowe
• Większe, bardziej pojemne akumulatory
• Bardzo przewodzący
• Zakończyć

Kilka tygodni temu Kris wprowadził nas w temat baterii półprzewodnikowych i tego, jak mogą być kolejnym znaczącym postępem w technologii baterii smartfonów. Krótko mówiąc, baterie półprzewodnikowe są bezpieczniejsze, mogą pomieścić więcej soku i mogą być stosowane nawet w cieńszych urządzeniach. Niestety, są obecnie zbyt drogie, aby umieścić je w średniej wielkości komórkach smartfonów, ale może się to zmienić w nadchodzących latach.

Jeśli zastanawiasz się czym jest dokładnie bateria półprzewodnikowa i czym różni się od dzisiejszych ogniw litowo-jonowych, czytaj dalej.

Kluczową różnicą między powszechnie stosowanym akumulatorem litowo-jonowym a akumulatorem półprzewodnikowym jest to, że ten pierwszy wykorzystuje ciekły roztwór elektrolityczny do regulacji przepływu prądu, podczas gdy akumulatory półprzewodnikowe wybierają stały elektrolit. Elektrolit akumulatora jest przewodzącą mieszaniną chemiczną, która umożliwia przepływ prądu między anodą i katodą.

Baterie półprzewodnikowe nadal działają w taki sam sposób, jak obecne baterie, ale zmiana materiałów zmienia niektóre atrybuty baterii, w tym maksymalną pojemność, czasy ładowania, rozmiar i bezpieczeństwo.

Prąd w akumulatorze przepływa między anodą i katodą przez przewodzący elektrolit, a separatory służą do zapobiegania zwarciom.

Oszczędzanie przestrzeni

Bezpośrednią korzyścią przejścia z ciekłego na stały elektrolit jest to, że gęstość energii akumulatora może wzrosnąć. Wynika to z faktu, że zamiast wymagać dużych separatorów między ogniwami ciekłymi, baterie półprzewodnikowe wymagają jedynie bardzo cienkich barier, aby zapobiec zwarciom.

Akumulatory półprzewodnikowe mogą pomieścić dwa razy więcej energii niż akumulatory litowo-jonowe

Konwencjonalne nasączane cieczą separatory akumulatorów mają grubość 20-30 mikronów. Technologia półprzewodnikowa może zmniejszyć separatory do 3-4 mikronów każdy, co stanowi około 7-krotną oszczędność miejsca po prostu przez zmianę materiałów.

Jednak separatory te nie są jedynym elementem wewnątrz baterii, a inne bity nie mogą się tak bardzo zmniejszyć, co ogranicza potencjał zajmujący niewiele miejsca baterii półprzewodnikowych.

Mimo to akumulatory półprzewodnikowe mogą naładować nawet dwa razy więcej energii niż akumulatory litowo-jonowe, zastępując anodę mniejszą alternatywą.

Dłuższa żywotność

Elektrolity półprzewodnikowe są zwykle mniej reaktywne niż dzisiejsza ciecz lub żel, więc można oczekiwać, że będą trwać znacznie dłużej i nie będą wymagać wymiany po zaledwie 2 lub 3 latach. Oznacza to również, że akumulatory te nie wybuchają ani nie zapalają się, jeśli zostaną uszkodzone lub wadliwe w produkcji, co oznacza, że ​​produkty będą bezpieczniejsze dla konsumentów.

Baterie półprzewodnikowe nie wybuchną ani nie zapalą się, jeśli zostaną uszkodzone lub będą miały wadę produkcyjną.

W obecnych smartfonach często poszukuje się wymiennych baterii dla osób, które chcą korzystać z tego samego telefonu przez wiele lat, ponieważ można je wymienić, gdy zaczną się zepsuć.

Baterie do smartfonów często również nie utrzymują ładunku po około roku, a nawet mogą powodować niestabilność sprzętu, resetowanie, a nawet przestać działać po kilku latach użytkowania. Dzięki akumulatorom półprzewodnikowym smartfony i inne gadżety mogą trwać o wiele dłużej bez konieczności wymiany komórki.

Istnieje wiele stałych związków chemicznych, które można wykorzystać w akumulatorach, a nie tylko jeden.

Dyskusja na temat baterii w porównaniu do baterii stałych jest nadmiernym uproszczeniem tematu, ponieważ istnieje wiele stałych związków chemicznych, które można by zastosować w bateriach, a nie tylko w jednym.

Rodzaje elektrolitów półprzewodnikowych

Istnieje osiem różnych głównych kategorii baterii półprzewodnikowych, z których każda wykorzystuje różne materiały do ​​elektrolitu. Są to Li-Halide, Perovskite, Li-Hydride, NASICON-like, Garnet, Argyrodite, LiPON i LISICON-like.

Ponieważ wciąż mamy do czynienia z powstającą technologią, naukowcy wciąż starają się opanować najlepsze rodzaje elektrolitów półprzewodnikowych do stosowania w różnych kategoriach produktów. Żaden z nich nie wyszedł jeszcze jako wyraźny lider, ale ogniwa LiPON i Garnet na bazie siarczków są obecnie postrzegane jako najbardziej obiecujące.

Prawdopodobnie zauważyłeś, że wiele z tych typów wciąż jest opartych na licie (Li), ponieważ nadal używają elektrod litowych. Ale wielu wybiera nowe materiały na anody i elektrody katodowe, aby poprawić wydajność.

Baterie cienkowarstwowe

Nawet w przypadku akumulatorów półprzewodnikowych istnieją dwa wyraźne podtypy - cienki film i luz. Jednym z najbardziej udanych typów cienkowarstwowych, który jest już na rynku, jest LiPON, który większość producentów produkuje z anodą litową.

Elektrolit LiPON oferuje doskonałą wagę, grubość, a nawet elastyczność, co czyni go obiecującym typem ogniwa do noszenia elektroniki i gadżetów wymagających małych ogniw. Wracając do tematu dłuższych ogniw, LiPON wykazał również doskonałą stabilność z jedynie 5% zmniejszeniem pojemności po 40 000 cyklach ładowania.

Baterie LiPON mogą wytrzymać od 40 do 130 razy dłużej niż baterie litowo-jonowe, zanim będą wymagać wymiany.

Dla porównania akumulatory litowo-jonowe oferują jedynie od 300 do 1000 cykli, zanim wykażą podobny lub większy spadek pojemności. Oznacza to, że akumulatory LiPON mogą wytrzymać od 40 do 130 razy dłużej niż akumulatory litowo-jonowe, zanim będą wymagać wymiany.

Minusem LiPON jest to, że jego całkowita pojemność magazynowania energii i przewodnictwo są raczej słabe w porównaniu. Jednak alternatywne technologie baterii półprzewodnikowych mogą być kluczem do wydłużenia żywotności baterii w smartwatche, co obecnie zniechęca wielu klientów do kupowania ubrań.

Większe, bardziej pojemne akumulatory

Jak dotąd akumulatory półprzewodnikowe nie są jeszcze odpowiednie dla większych ogniw znajdujących się w smartfonach i tabletach, nie mówiąc już o laptopach i samochodach elektrycznych. W przypadku większych sypkich baterii półprzewodnikowych o większej pojemności wymagana jest doskonała przewodność zbliżona do ciekłych elektrolitów lub dopasowana do nich, co wyklucza obiecujące technologie, takie jak LiPON. Przewodnictwo jonowe mierzy zdolność jonów do przemieszczania się przez materiał, a dobre przewodzenie jest wymogiem większych komórek, aby zapewnić wymagany prąd.

LISICON i LiPS wyprzedziły badania nad akumulatorami LiPO, LiS i ​​SiS, poprzednimi liderami w dziedzinie półprzewodników. Jednak typy te nadal mają niższą przewodność niż elektrolity organiczne i ciekłe w temperaturze pokojowej, co czyni je niepraktycznymi dla produktów komercyjnych.

Bardzo przewodzący

W tym miejscu wkraczają badania nad elektrolitami tlenków granatu (LLZO), ponieważ mają wysoką przewodność jonową w temperaturze pokojowej.

Materiał osiąga przewodnictwo, które jest tylko nieznacznie niższe od wyników płynnych ogniw litowo-jonowych, a nowe badania nad LGPS sugerują, że ten materiał może go nawet dopasować.

Oznaczałoby to, że półprzewodnikowe akumulatory mają mniej więcej taką samą moc i pojemność, jak dzisiejsze ogniwa litowo-jonowe, przy jednoczesnym przekonaniu się o korzyściach, takich jak zmniejszony rozmiar i dłuższa żywotność.

Granat jest również stabilny w powietrzu i wodzie, dzięki czemu nadaje się również do akumulatorów Li-Air. Niestety musi być wykonany przy użyciu kosztownego procesu spiekania.

To sprawia, że ​​jest to obecnie nieatrakcyjna propozycja do stosowania w akumulatorach konsumenckich w porównaniu z niskim kosztem ogniw litowo-jonowych. W przyszłości koszty prawdopodobnie spadną, ponieważ techniki produkcji zostaną udoskonalone, ale wciąż jesteśmy daleko od komercyjnie opłacalnej baterii półprzewodnikowej.

Zakończyć

Najwyraźniej wciąż trwa wiele badań nad technologią akumulatorów półprzewodnikowych. Zgodnie z najwcześniejszymi prognozami nie zobaczymy, jak dojrzałe komórki trafiają do produktów konsumenckich, takich jak smartfony, przez kolejne 4 lub 5 lat. Jednak baterie półprzewodnikowe w innych urządzeniach (takich jak drony) mogą pojawić się już w przyszłym roku.

Mimo to ostatnie badania w końcu przynoszą wyniki, które mogą konkurować z istniejącymi akumulatorami litowo-jonowymi pod względem atrybutów, zapewniając jednocześnie zalety elektrolitów półprzewodnikowych. Wszystko, czego potrzebujemy, to dojrzewanie procesów produkcyjnych, a istnieje wielu dużych i przyszłych producentów akumulatorów, którzy dysponują zasobami, aby to urzeczywistnić.

Podsumowując, główne zalety wszystkich tych różnic chemicznych z perspektywy konsumenta to: do 6 razy szybsze ładowanie, do dwukrotności gęstości energii, dłuższy cykl życia do 10 lat w porównaniu do 2 i brak składników łatwopalnych. To z pewnością będzie dobrodziejstwem dla smartfonów i innych przenośnych gadżetów.