Velik dio tehnologije oko nas uzimamo zdravo za gotovo. Na primjer, mikroračunala za telefone koji rade bez punjenja cijeli dan. Ali želim da telefon radi 3-4 dana bez punjenja. Ili električni automobil koji može prijeći 1000 kilometara, napuniti se za nekoliko minuta ... i koštati manje od automobila s benzinskim motorom. Mnogo se pričalo o solid-state baterijama tijekom godina, ali kako stvari stoje sada? I koliko još moramo čekati dok solid state baterije završiti unutar naših uređaja?
Najnoviji primjer je Toyota, koja je tijekom Zimskih olimpijskih igara najavila automobil na čvrste baterije. Litij-ionske baterije koje danas koristimo, koliko god bile izvrsne, imaju određene nedostatke koje solid-state baterije pokušavaju riješiti.
Što imaju zajedničko?
Obje vrste koriste litij za proizvodnju električne energije i njihova je opća struktura vrlo slična. Jednostavno rečeno, imaju anodu (negativnu elektrodu), katodu (pozitivnu elektrodu) i elektrolit.
Njihova glavna razlika leži u stanju elektrolita, koji pomaže u prijenosu iona s katode na anodu tijekom punjenja i obrnuto tijekom pražnjenja. Drugim riječima, elektrolit regulira protok električne struje između negativne i pozitivne strane baterije. Dok litij-ionske baterije koriste tekuće elektrolite, krute baterije, kao što im i naziv kaže, koriste tanke slojeve krutog elektrolita.
Zašto je to važno?
Čvrsti elektroliti imaju niz značajnih prednosti:
- Sigurnost: strkiseli elektroliti nepostojan i lako se zapale na visokim temperaturama. Za razliku od njih, čvrsti elektroliti su stabilniji i smanjuju opasnost od požara ili eksplozije.
- viši gustoća energije i brže vrijeme punjenja: strpovećana stabilnost znači da solid-state baterije mogu pohraniti 50% više energije od svojih litij-ionskih analoga, a očekuje se da će dostići 80% punjenja unutar 12 minuta.
S lijeve strane vidimo strukturu litij-ionske baterije, a s desne strane vidimo strukturu solid-state baterije.
3. Manja težina i veličina: dok ih tekućina unutar litij-ionskih baterija čini težima, kompaktna struktura solid-state baterija omogućuje veću gustoću energije po jedinici površine, što znači da je potrebno manje baterija.
Hoće li solid-state baterije zamijeniti litij-ionske?
U teoriji, da, ili barem tako stvari idu. Zapravo, mnogi proizvođači automobila već ulažu u ovu tehnologiju, uključujući Volkswagen, Toyotu, Ford i BMW. Međutim, u praksi se ćelije solid-state baterija proizvode jedna po jedna u laboratorijima, a da bi se dovele do masovne proizvodnje - skup i još uvijek nedovoljno razrađen zadatak.
Teško je razviti čvrsti elektrolit koji bi bio stabilan, kemijski inertan i dobar vodič iona između elektroda. Osim toga, elektroliti su preskupi za proizvodnju i skloni su pucanju zbog svoje lomljivosti kada se šire i sabijaju tijekom uporabe. Ali možda će se to dogoditi kako litij-ionske baterije postupno budu postajale pristupačnije.
Koje su studije već napravljene?
Posljednjih godina provedena su mnoga zanimljiva istraživanja koja su imala za cilj riješiti ovaj problem. Istraživači s MIT-a razvili su takozvane miješane ionsko-elektronske vodiče (MIEC), kao i elektroničke i litij-ionske izolatore (ELI). To je trodimenzionalna stanična arhitektura s MIEC cijevima u nanoskali. Cijevi su ispunjene litijem, koji čini anodu. Ključni dio ovog otkrića je da stanična struktura dopušta prostor za širenje i skupljanje litija tijekom punjenja i pražnjenja. Ovo "disanje" baterije sprječava pucanje. Premaz ELI cijevi djeluje kao barijera koja ih štiti od čvrstog elektrolita. Ovo je struktura solid-state baterije, koja nas spašava od potrebe za dodavanjem bilo kakve tekućine ili gela, i stoga nam omogućuje izbjegavanje dendrita.
Zvala je tvrtka Sustavi za pohranu iona razvio je ultratanki keramički elektrolit debljine oko 10 mikrometara, otprilike iste debljine kao moderni plastični separatori koji koriste tekuće elektrolite. Svaka strana keramičkog elektrolita presvučena je supertankim slojem aluminijevog oksida koji pomaže smanjiti otpor. Prototip baterije ima energetski kapacitet od oko 300 Wh/kg i može se napuniti za 5-10 minuta. Za usporedbu: moderne NCA baterije dostižu energetski kapacitet od oko 250 Wh/kg.
Na izložbi CES Mecedes je ove godine predstavio konceptni automobil AVTR, izrađen od ekološki prihvatljivih materijala, koji također ima bateriju koja se može u potpunosti reciklirati. U intervjuu, Mercedesov stariji menadžer za istraživanje baterija Andreas Hintennach izjavio je da je tehnologija baterija trenutno podvrgnuta laboratorijskom testiranju i da će biti spremna za 10-15 godina. CATL (Teslin kineski partner za baterije) također je razvio uzorak solid-state baterije, ali su izvijestili da se neće pojaviti na tržištu prije 2030. godine.
Očekuje se kontinuirana proizvodnja solid-state baterija će se popraviti od 2025., ali u početku ne u automobilskoj industriji.
Pročitajte također:
