Indhold

• Pladsbesparelse
• Længere levetid spænder over
• Typer af faststofelektrolytter
• Tynde filmbatterier
• Større, bulkere batterier
• Meget ledende
• Pak ind

For et par uger siden introducerede Kris os emnet med faststofbatterier, og hvordan de kan være den næste store fremskridt inden for smartphone-batteriteknologi. Kort sagt er faststofbatterier sikrere, kan pakke mere juice og kan bruges til endnu tyndere enheder. Desværre er de uforholdsmæssigt dyre at lægge i mellemstore smartphone-celler lige nu, men det kan ændre sig i de kommende år.

Så hvis du har spekuleret på, hvad et faststofbatteri er, og hvordan det er anderledes end dagens lithium-ion-celler, skal du læse videre.

Den vigtigste forskel mellem det ofte anvendte lithium-ion-batteri og et faststofbatteri er, at førstnævnte bruger en flydende elektrolytisk opløsning til at regulere strømmen af ​​strøm, mens faststofbatterier vælger en fast elektrolyt. Et batteris elektrolyt er en ledende kemisk blanding, der tillader strømmen af ​​strøm mellem anoden og katoden.

Solid state-batterier fungerer stadig på samme måde som nuværende batterier, men ændringen i materialer ændrer nogle af batteriets egenskaber, herunder maksimal lagerkapacitet, opladningstider, størrelse og sikkerhed.

Strøm inden i et batteri passerer mellem anoden og katoden gennem en ledende elektrolyt, mens separatorer bruges til at forhindre en kortslutning.

Pladsbesparelse

Den umiddelbare fordel ved at skifte fra en flydende til fast elektrolyt er, at batteriets energitetthed kan øges. Dette skyldes, at i stedet for at kræve store separatorer mellem de flydende celler, kræver faststofbatterier kun meget tynde barrierer for at forhindre en kortslutning.

Solid-state-batterier kan pakke dobbelt så meget energi som Li-ion

Konventionelle væskeblødt batteriseparatorer leveres med en tykkelse på 20-30 mikron. Solid-state-teknologi kan reducere separatorerne ned til 3-4 mikrometer hver, en ca. 7-fold pladsbesparelse blot ved at skifte materiale.

Disse separatorer er dog ikke den eneste komponent inde i batteriet, og andre bits kan ikke skrumpe så meget ned, hvilket sætter en grænse for det pladsbesparende potentiale i faststofbatterier.

Alligevel kan faststofbatterier pakke op til dobbelt så meget energi som Li-ion, når du også udskifter anoden med et mindre alternativ.

Længere levetid spænder over

Faststofelektrolytter er typisk mindre reaktive end dagens væske eller gel, så de kan forventes at vare meget længere og behøver ikke at udskiftes efter kun 2 eller 3 år. Dette betyder også, at disse batterier ikke eksploderer eller fyrer, hvis de er beskadiget eller lider af produktionsfejl, hvilket betyder mere sikre produkter for forbrugerne.

Solid-state-batterier eksploderer eller fyrer ikke, hvis de er beskadiget eller lider af produktionsfejl.

I aktuelle smartphones er udskiftelige batterier ofte efterspurgte for dem, der ønsker at bruge den samme telefon i mange år, da de kan udskiftes, når de begynder at gå i stykker.

Smartphonebatterier holder ofte ikke opladningen så godt efter et år eller deromkring og kan endda forårsage, at hardware bliver ustabilt, nulstilles eller endda holder op med at arbejde efter flere års brug. Med solid-state batterier kunne smartphones og andre gadgets vare meget længere uden at have brug for en erstatningscelle.

Der er masser af faste kemiske forbindelser, der kunne bruges i batterier, ikke kun en.

At tale om flydende kontra faste batterier er imidlertid en forenkling af emnet, da der er masser af faste kemiske forbindelser, der kunne bruges i batterier, ikke kun en.

Typer af faststofelektrolytter

Der er otte forskellige hovedkategorier af faststofbatterier, som hver bruger forskellige materialer til elektrolytten. Disse er Li-Halide, Perovskite, Li-Hydride, NASICON-lignende, Garnet, Argyrodite, LiPON og LISICON-lignende.

Da vi stadig beskæftiger os med en ny teknologi, finder forskere stadig fat på de bedste typer faststofelektrolyt, der kan bruges til forskellige produktkategorier. Ingen er kommet ud som klare ledere endnu, men sulfidbaserede LiPON- og Garnet-celler ses i øjeblikket som de mest lovende.

Du har sandsynligvis bemærket, at mange af disse typer stadig er lithium (Li) baseret på en eller anden måde, fordi de stadig bruger lithiumelektroder. Men mange vælger nye anode- og katodeelektrodematerialer for at forbedre ydelsen.

Tynde filmbatterier

Selv inden for faststof-batterityper er der to tydelige undertyper - tynd film og bulk. En af de mest succesrige tyndfilmtyper, der allerede findes på markedet, er LiPON, som størstedelen af ​​producenterne fremstiller med en lithiumanode.

LiPON-elektrolytten tilbyder fremragende vægt, tykkelse og endda fleksibilitetsegenskaber, hvilket gør den til en lovende celletype til bærbar elektronik og gadgets, der kræver små celler. Når det drejer sig om genstander med længerevarende celler, har LiPON også vist fremragende stabilitet med kun en 5% kapacitetsreduktion efter 40.000 ladecykler.

LiPON-batterier kan vare overalt fra 40 til 130 gange længere end Li-ion-batterier, før de skal udskiftes.

Til sammenligning tilbyder lithium-ion-batterier kun mellem 300 og 1000 cyklusser, før de viser et lignende eller større fald i kapacitet. Dette betyder, at LiPON-batterier kan vare alt fra 40 til 130 gange længere end Li-ion-batterier, før de skal udskiftes.

LiPON's ulempe er, at dens samlede energilagringskapacitet og ledningsevne er forholdsvis dårlig til sammenligning. Alternative solid-state batteriteknologier kan imidlertid være nøglen til at bringe længere batterilevetid til smartwatches, hvilket i øjeblikket frister et antal kunder fra at hente en bærbar.

Større, bulkere batterier

Indtil videre er faststofbatterier endnu ikke egnede til større celler, der findes i smartphones og tablets, så meget mindre bærbare computere eller elbiler. For større bulk-state-batterier med større kapacitet kræves overlegen ledningsevne, der kommer tæt på eller matcher flydende elektrolytter, hvilket udelukker ellers lovende teknologier som LiPON. Ionisk ledning måler ionenes evne til at bevæge sig gennem et materiale, og god ledning er et krav for større celler for at sikre den krævede strøm.

LISICON og LiPS har overhalet forskning i LiPO-, LiS- og SiS-batterier, de tidligere ledere på solid state-området. Imidlertid lider disse typer stadig af lavere ledningsevne end organiske og flydende elektrolytter ved stuetemperatur, hvilket gør dem upraktiske for kommercielle produkter.

Meget ledende

Det er her, forskning i granatoxid (LLZO) elektrolytter kommer ind, da det kan prale af en høj ionisk ledningsevne ved stuetemperatur.

Materialet opnår en ledning, der kun kommer lidt bagved de resultater, der tilbydes af flydende lithium-ion-celler, og nye undersøgelser af LGPS antyder, at dette materiale endda kan matche det.

Dette ville betyde faststofbatterier med omtrent lige stor effekt og kapacitet som dagens Li-ion-celler, mens man ser fordele som reduceret størrelse og længere levetid blive en realitet.

Granat er også stabilt i luft og vand, hvilket gør det også egnet til Li-Air-batterier. Desværre skal det fremstilles ved hjælp af en kostbar sintringsproces.

Dette gør det i øjeblikket til et uattraktivt forslag til brug i forbrugerbatterier sammenlignet med de lave omkostninger ved lithium-ion-celler. I fremtiden falder sandsynligvis omkostningerne, når fremstillingsteknikker forbedres, men vi er stadig et stykke væk fra et kommercielt levedygtigt faststofbatteri.

Pak ind

Der er klart, at der stadig er en masse igangværende forskning inden for faststof-batteriteknologi. Vi kommer ikke til at se modne celler gøre vej ind i forbrugerprodukter som smartphones i yderligere 4 eller 5 år, ifølge de tidligste forudsigelser. Solid-state-batterier i andre enheder (som droner) vises dog muligvis så snart som næste år.

Den seneste forskning producerer endelig resultater, der kan konkurrere med eksisterende li-ion-batterier med hensyn til attributter, samtidig med at de giver fordelene ved faststofelektrolytter. Alt, hvad vi har brug for, er, at fremstillingsprocesser modnes, og der er en række store og kommende batteriproducenter med ressourcerne til at gøre dette til virkelighed.

Sammenfattende er de vigtigste fordele ved alle disse kemiske forskelle fra et forbrugerperspektiv: op til 6 gange hurtigere opladning, op til det dobbelte af energitætheden, en længere cykluslevetid på op til 10 år sammenlignet med 2 og ingen brandfarlige komponenter. Det vil bestemt være en velsignelse for smartphones og andre bærbare gadgets.