Ние приемаме голяма част от технологиите около нас за даденост. Например микрокомпютри за телефони, които работят без презареждане цял ден. Но искам телефона да работи 3-4 дни без презареждане. Или електрическа кола, която може да измине 1000 километра, да се зарежда за няколко минути... и да струва по-малко от кола с бензинов двигател. През годините се говори много за твърдотелни батерии, но как вървят нещата сега? И колко още трябва да чакаме, докато твърдотелни батерии попаднат в нашите устройства?
Най-пресният пример е Toyota, която обяви автомобил с твърда батерия по време на Зимните олимпийски игри. Литиево-йонните батерии, които използваме днес, колкото и страхотни да са, имат определени недостатъци, които твърдотелните батерии се опитват да разрешат.
Какво общо имат?
И двата вида използват литий за производство на електричество и общата им структура е доста сходна. Просто казано, те имат анод (отрицателен електрод), катод (положителен електрод) и електролит.
Основната им разлика е в състоянието на електролита, който помага за прехвърлянето на йони от катода към анода по време на зареждане и обратно по време на разреждане. С други думи, електролитът регулира потока на електрически ток между отрицателната и положителната страна на батерията. Докато литиево-йонните батерии използват течни електролити, твърдотелните батерии, както подсказва името им, използват тънки слоеве твърд електролит.
Защо това е важно?
Твърдите електролити имат редица значителни предимства:
- Сигурност: стркиселинни електролити летлив и лесно се запалват при високи температури. За разлика от тях, твърдите електролити са по-стабилни и намаляват риска от пожар или експлозия.
- По-висок енергийна плътност и по-бързо време за зареждане: стрповишената стабилност означава, че твърдотелните батерии могат да съхраняват 50% повече енергия от техните литиево-йонни аналози, докато се очаква да достигнат 80% заряд в рамките на 12 минути.
Отляво виждаме структурата на литиево-йонна батерия, а отдясно виждаме структурата на твърда батерия.
3. По-леко тегло и размер: Докато течността вътре в литиево-йонните батерии ги прави по-тежки, компактната структура на твърдотелните батерии позволява по-висока енергийна плътност на единица площ, което означава, че са необходими по-малко батерии.
Ще заменят ли твърдотелните батерии литиево-йонните?
На теория да, или поне натам отиват нещата. Всъщност много автомобилни производители вече инвестират в тази технология, включително Volkswagen, Toyota, Ford и BMW. На практика обаче клетките на твърдотелните батерии се произвеждат една по една в лаборатории и за да ги доведат до масово производство - скъпа и все още недостатъчно разработена задача.
Трудно е да се разработи твърд електролит, който би бил едновременно стабилен, химически инертен и добър проводник на йони между електродите. В допълнение, електролитите са твърде скъпи за производство и са склонни към напукване поради тяхната крехкост, когато се разширяват и компресират по време на употреба. Но може би това ще се случи, тъй като литиево-йонните батерии постепенно стават по-достъпни.
Какви проучвания вече са направени?
През последните години бяха проведени много интересни изследвания, които имаха за цел да решат този проблем. Изследователи от MIT са разработили така наречените смесени йонно-електронни проводници (MIEC), както и електронни и литиево-йонни изолатори (ELI). Това е триизмерна клетъчна архитектура с наноразмерни MIEC тръби. Тръбите са пълни с литий, който образува анода. Ключова част от това откритие е, че клетъчната структура позволява пространство за разширяване и свиване на лития по време на зареждане и разреждане. Това "дишане" на батерията предотвратява пукнатини. Покритието на ELI тръбите действа като бариера, която ги предпазва от твърд електролит. Това е структурата на твърдотелна батерия, която ни спестява от необходимостта да добавяме течност или гел и следователно ни позволява да избегнем дендритите.
Обади се фирма Системи за съхранение на йони разработи ултратънък керамичен електролит с дебелина около 10 микрометра, приблизително същата дебелина като съвременните пластмасови сепаратори, които използват течни електролити. Всяка страна на керамичния електролит е покрита със супер тънък слой алуминиев оксид, който помага за намаляване на съпротивлението. Прототипът на батерията има енергиен капацитет от около 300 Wh/kg и може да се зарежда за 5-10 минути. За сравнение: съвременните батерии NCA достигат енергиен капацитет от около 250 Wh/kg.
На изложението CES тази година Mecedes показа концептуалния автомобил AVTR, изработен от екологично чисти материали, който също има напълно рециклируема батерия. В интервю старши мениджърът за изследване на батериите на Mercedes Андреас Хинтеннах заяви, че технологията за батерии в момента е подложена на лабораторни тестове и ще бъде готова след 10-15 години. CATL (китайският партньор на Tesla за батерии) също разработи примерна твърда батерия, но те съобщиха, че тя няма да излезе на пазара до 2030 г.
Очаква се непрекъснато производство на твърдотелни батерии ще бъдат фиксирани от 2025 г., но първоначално не в автомобилната индустрия.
Прочетете също:
