Velik del tehnologije okoli nas jemljemo za samoumevno. Na primer mikroračunalniki za telefone, ki delajo brez polnjenja ves dan. Ampak želim, da telefon deluje 3-4 dni brez ponovnega polnjenja. Ali električni avtomobil, ki lahko prevozi 1000 kilometrov, se napolni v nekaj minutah ... in stane manj kot avto z bencinskim motorjem. V preteklih letih je bilo veliko govora o polprevodniških baterijah, toda kako je zdaj? In koliko še moramo čakati do polprevodniške baterije končajo v naših napravah?
Najnovejši primer je Toyota, ki je med zimskimi olimpijskimi igrami napovedala avtomobil s polprevodniškimi baterijami. Litij-ionske baterije, ki jih uporabljamo danes, imajo, čeprav so odlične, določene pomanjkljivosti, ki jih skušajo rešiti polprevodniške baterije.
Kaj imajo skupnega?
Obe vrsti uporabljata litij za proizvodnjo električne energije in njuna splošna struktura je precej podobna. Preprosto povedano, imajo anodo (negativno elektrodo), katodo (pozitivno elektrodo) in elektrolit.
Njihova glavna razlika je v stanju elektrolita, ki pomaga pri prenosu ionov s katode na anodo med polnjenjem in obratno med praznjenjem. Z drugimi besedami, elektrolit uravnava pretok električnega toka med negativno in pozitivno stranjo baterije. Medtem ko litij-ionske baterije uporabljajo tekoče elektrolite, polprevodniške baterije, kot pove njihovo ime, uporabljajo tanke plasti trdnega elektrolita.
Zakaj je to pomembno?
Trdni elektroliti imajo številne pomembne prednosti:
- Varnost: strkisli elektroliti hlapljivo in se zlahka vžgejo pri visokih temperaturah. Za razliko od njih so trdni elektroliti bolj stabilni in zmanjšujejo nevarnost požara ali eksplozije.
- višje energijska gostota in hitrejši čas polnjenja: strpovečana stabilnost pomeni, da lahko polprevodniške baterije shranijo 50 % več energije kot njihove litij-ionske baterije, medtem ko se pričakuje, da bodo dosegle 80 % napolnjenosti v 12 minutah.
Na levi strani vidimo zgradbo litij-ionske baterije, na desni pa strukturo polprevodniške baterije.
3. Lažja teža in velikost: Medtem ko jih tekočina v notranjosti litij-ionskih baterij dela težje, kompaktna struktura polprevodniških baterij omogoča večjo energijsko gostoto na enoto površine, kar pomeni, da je potrebnih manj baterij.
Ali bodo polprevodniške baterije nadomestile litij-ionske?
V teoriji ja, ali vsaj tja gredo stvari. Pravzaprav številni proizvajalci avtomobilov že vlagajo v to tehnologijo, vključno s Volkswagnom, Toyoto, Fordom in BMW. Vendar pa se v praksi celice polprevodniških baterij proizvajajo eno za drugo v laboratorijih in jih pripeljejo v množično proizvodnjo - draga in še premalo razvita naloga.
Težko je razviti trden elektrolit, ki bi bil hkrati stabilen, kemično inerten in dober prevodnik ionov med elektrodama. Poleg tega so elektroliti predragi za proizvodnjo in so nagnjeni k pokanju zaradi svoje krhkosti, ko se med uporabo razširijo in stisnejo. Toda morda se bo to zgodilo, ko bodo litij-ionske baterije postopoma postale bolj dostopne.
Katere študije so že bile narejene?
V zadnjih letih je bilo izvedenih veliko zanimivih raziskav, ki so si prizadevale rešiti ta problem. Raziskovalci MIT so razvili tako imenovane mešane ionsko-elektronske prevodnike (MIEC), pa tudi elektronske in litij-ionske izolatorje (ELI). Gre za tridimenzionalno celično arhitekturo z nanometrskimi MIEC cevmi. Cevi so napolnjene z litijem, ki tvori anodo. Ključni del tega odkritja je, da celična struktura omogoča prostor za širjenje in krčenje litija med polnjenjem in praznjenjem. To "dihanje" baterije preprečuje razpoke. Prevleka cevi ELI deluje kot pregrada, ki jih ščiti pred trdnim elektrolitom. To je zgradba polprevodniške baterije, ki nam prihrani potrebo po dodajanju kakršne koli tekočine ali gela in nam tako omogoča, da se izognemo dendritom.
Poklicano podjetje Sistemi za shranjevanje ionov razvili ultratanek keramični elektrolit debeline približno 10 mikrometrov, približno enako debelino kot sodobni plastični separatorji, ki uporabljajo tekoče elektrolite. Vsaka stran keramičnega elektrolita je prevlečena s super tanko plastjo aluminijevega oksida, ki pomaga zmanjšati odpornost. Prototip baterije ima energijsko kapaciteto približno 300 Wh/kg in jo je mogoče napolniti v 5-10 minutah. Za primerjavo: sodobne baterije NCA dosegajo energijsko kapaciteto okoli 250 Wh/kg.
Na razstavi CES Mecedes je letos predstavil konceptno vozilo AVTR, izdelano iz okolju prijaznih materialov, ki ima tudi baterijo, ki jo je mogoče v celoti reciklirati. V intervjuju je Mercedesov višji vodja raziskav baterij Andreas Hintennach izjavil, da je tehnologija baterij trenutno v laboratorijskem testiranju in bo pripravljena v 10-15 letih. CATL (Teslin kitajski baterijski partner) je prav tako razvil vzorčno polprevodniško baterijo, vendar so sporočili, da bo na trg prišla šele leta 2030.
Pričakuje se neprekinjena proizvodnja polprevodniških baterij bo popravljeno od leta 2025, vendar sprva ne v avtomobilski industriji.
Preberite tudi: