За прошедшие годы технология аккумуляторов прошла долгий путь развития. Такие гаджеты, как дроны, и смартфоны были бы непрактичными без передовых современных аккумуляторных технологий.
Однако батареи всегда могут быть лучше!
Похоже, что твердотельные аккумуляторы станут следующим большим достижением, и продукты, в которых они используются, уже не за горами. Это значит, что сейчас самое время узнать, что это такое и почему они важны.
Что означает «твердотельный»?
Будь то свинцово-кислотный автомобильный аккумулятор, одноразовые щелочные аккумуляторы или литий-полимерные батареи в телефоне, все они используют жидкий электролит. Электролит представляет собой проводящее вещество, которое соединяет две внутренние клеммы аккумулятора. Электроны проходят через электролит, позволяя батарее либо накапливать электрический заряд, либо разряжать его.
В твердотельных батареях используется твердый электролит вместо традиционного жидкого электролита. Это единственное фундаментальное различие между двумя аккумуляторными технологиями. Звучит достаточно просто, но инженеры и ученые десятилетиями пытались найти твердый материал, который мог бы действовать как электролит.
Что сложного в твердотельных батареях?
Различные материалы, такие как керамика и металлический литий, могут использоваться в качестве твердотельных электролитов. Проблема в том, что керамический подход привел к ухудшению работы батареи. Металлический литий перспективен, но имеет фатальный недостаток. По мере того, как аккумулятор заряжается и разряжается, металлические «дендриты» прорастают сквозь электролит. Аккумулятор может закоротить и стать опасным.
Поиск практических и экономически жизнеспособных решений этих проблем был миссией нескольких компаний и исследовательских групп на протяжении последних нескольких лет. Теперь эта работа окупится.
Зачем проходить через все эти неприятности? Давайте посмотрим на преимущества твердотельных батарей по сравнению с традиционными.
Безопасность
Батарейки хранят большое количество энергии, и всегда существует опасность того, что эта энергия может высвободиться неконтролируемым образом. Когда это произойдет, это может означать пожар, взрывы и другие нежелательные последствия. Твердотельные батареи, если проблема дендритов будет решена, обещают быть более безопасными и стабильными. Во-первых, они не воспламеняются, поэтому возгорание аккумуляторов должно остаться в прошлом.
Это важно не только для электромобилей, таких как автомобили и дроны, но и для личной электроники, такой как смартфоны и ноутбуки. Многие люди ежегодно получают травмы в результате возгорания батарей в своих электронных гаджетах. В результате сгорели дотла целые дома!.
Скорость перезарядки
Современные литиевые батареи могут заряжайтесь на впечатляющих скоростях, но их зарядка все равно занимает много времени. Существует предел тому, сколько энергии вы можете влить в традиционную литий-ионную батарею, прежде чем все пойдет не так. Твердотельные батареи обещают заряжаться в шесть раз быстрее, чем батареи, которые мы используем в настоящее время. Это означает, что зарядка вашего телефона от полного заряда займет пять минут или зарядка электромобиля до 80% за 15.
Энергоемкость и размер
Литий-ионные аккумуляторы в настоящее время имеют самую высокую плотность энергии среди всех типов аккумуляторов, продаваемых населению. И все же он во много раз менее плотный, чем бензин. Хотя твердотельные батареи не дотягивают до уровня газовых, они обещают более чем удвоить плотность энергии на единицу объема.
Другими словами, если вы заменили батарею в телефоне на твердотельную модель, теоретически она может работать вдвое дольше, не увеличиваясь в размерах. Это еще один важный аргумент в пользу электромобилей, которые не так популярны, как могли бы, из-за беспокойства по поводу запаса хода.
Срок службы и надежность
Большинство современных литий-ионных аккумуляторов начинают разлагаться примерно после 500 полных циклов зарядки-разрядки. После этого направьте аккумулятор начинает терять свою емкость до тех пор, пока он вообще не сможет удерживать заряд. В смартфонах, которые сейчас имеют тенденцию иметь герметичные батареи, это накладывает жесткие ограничения на срок службы устройства. Твердотельные батареи обещают значительно увеличить этот предел. Целых пять раз.
Итак, в то время как обычная телефонная батарея, используемая ежедневно, может начать разряжаться через два-три года, твердотельная батарея будет сохранять номинальную емкость до пятнадцать лет. В электромобилях, где замена аккумуляторов обходится чрезвычайно дорого, это может существенно повлиять на стоимость владения транспортными средствами этого класса.
Слабые стороны твердотельных батарей
Если все это звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой, есть несколько предостережений по поводу этой технологии. Некоторые из этих проблем еще предстоит решить, прежде чем технология твердотельных аккумуляторов получит широкое распространение.
Когда можно будет покупать твердотельные батареи?
Есть несколько компаний, таких как Твердая сила и QuantumScape, которые утверждают, что находятся на острие коммерческого применения твердотельных аккумуляторов.
Toyota планирует выпустить в продажу электромобили с твердотельными аккумуляторами уже в 2021 год. И Solid Power, и QuantumScape стремятся выпустить аккумуляторы для транспортных средств в 2022 и 2024 годах соответственно. Это означает, что в ближайшие пару лет мы можем оказаться в самом начале аккумуляторной революции.
Это еще до того, как мы углубимся в возможности использования графена. Этот чудо-материал обещает еще лучшие батареи, независимо от того, содержат ли они жидкий или твердый электролит. Получение графена для игры в мяч ускользало от учёных и инженеров дольше, чем ожидалось, но вы уже можете купить гибридный графеновый повербанк прямо сейчас. Воистину, будущее здесь.
.