Θεωρούμε δεδομένο μεγάλο μέρος της τεχνολογίας γύρω μας. Για παράδειγμα, μικροϋπολογιστές για τηλέφωνα που λειτουργούν χωρίς επαναφόρτιση όλη την ημέρα. Αλλά θέλω το τηλέφωνο να λειτουργεί για 3-4 μέρες χωρίς επαναφόρτιση. Ή ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο που μπορεί να ταξιδέψει 1000 χιλιόμετρα, να φορτίσει σε λίγα λεπτά ... και να κοστίσει λιγότερο από ένα αυτοκίνητο με βενζινοκινητήρα. Έχει γίνει πολύς λόγος για τις μπαταρίες στερεάς κατάστασης όλα αυτά τα χρόνια, αλλά πώς πάνε τα πράγματα τώρα; Και πόσο ακόμα πρέπει να περιμένουμε μέχρι μπαταρίες στερεάς κατάστασης καταλήγουν μέσα στις συσκευές μας;
Το πιο πρόσφατο παράδειγμα είναι η Toyota, η οποία ανακοίνωσε ένα αυτοκίνητο με μπαταρία στερεάς κατάστασης κατά τη διάρκεια των Χειμερινών Ολυμπιακών Αγώνων. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου που χρησιμοποιούμε σήμερα, όσο μεγάλες κι αν είναι, έχουν ορισμένα μειονεκτήματα που προσπαθούν να λύσουν οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης.
Τι έχουν κοινό?
Και οι δύο τύποι χρησιμοποιούν λίθιο για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και η γενική τους δομή είναι αρκετά παρόμοια. Με απλά λόγια, έχουν μια άνοδο (αρνητικό ηλεκτρόδιο), μια κάθοδο (θετικό ηλεκτρόδιο) και έναν ηλεκτρολύτη.
Η κύρια διαφορά τους έγκειται στην κατάσταση του ηλεκτρολύτη, ο οποίος βοηθά στη μεταφορά ιόντων από την κάθοδο στην άνοδο κατά τη φόρτιση και αντίστροφα κατά την εκφόρτιση. Με άλλα λόγια, ο ηλεκτρολύτης ρυθμίζει τη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος μεταξύ της αρνητικής και της θετικής πλευράς της μπαταρίας. Ενώ οι μπαταρίες ιόντων λιθίου χρησιμοποιούν υγρούς ηλεκτρολύτες, οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης, όπως υποδηλώνει το όνομά τους, χρησιμοποιούν λεπτά στρώματα στερεού ηλεκτρολύτη.
Γιατί είναι σημαντικό?
Οι στερεοί ηλεκτρολύτες έχουν μια σειρά από σημαντικά πλεονεκτήματα:
- Ασφάλεια: σελόξινους ηλεκτρολύτες πτητικός και αναφλέγεται εύκολα σε υψηλές θερμοκρασίες. Σε αντίθεση με αυτούς, οι στερεοί ηλεκτρολύτες είναι πιο σταθεροί και μειώνουν τον κίνδυνο πυρκαγιάς ή έκρηξης.
- Πιο ψηλά ενεργειακή πυκνότητα και ταχύτερος χρόνος φόρτισης: σελΗ αυξημένη σταθερότητα σημαίνει ότι οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης μπορούν να αποθηκεύσουν 50% περισσότερη ενέργεια από τις αντίστοιχες ιόντων λιθίου, ενώ αναμένεται να φτάσουν τη φόρτιση του 80% μέσα σε 12 λεπτά.
Στα αριστερά βλέπουμε τη δομή μιας μπαταρίας ιόντων λιθίου και στα δεξιά βλέπουμε τη δομή μιας μπαταρίας στερεάς κατάστασης.
3. Ελαφρύτερο βάρος και μέγεθος: Ενώ το υγρό μέσα στις μπαταρίες ιόντων λιθίου τις κάνει βαρύτερες, η συμπαγής δομή των μπαταριών στερεάς κατάστασης επιτρέπει μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα ανά μονάδα επιφάνειας, πράγμα που σημαίνει ότι χρειάζονται λιγότερες μπαταρίες.
Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης θα αντικαταστήσουν τις μπαταρίες ιόντων λιθίου;
Θεωρητικά, ναι, ή τουλάχιστον προς τα εκεί κατευθύνονται τα πράγματα. Στην πραγματικότητα, πολλές αυτοκινητοβιομηχανίες επενδύουν ήδη σε αυτήν την τεχνολογία, συμπεριλαμβανομένων των Volkswagen, Toyota, Ford και BMW. Ωστόσο, στην πράξη, τα κύτταρα μπαταριών στερεάς κατάστασης παράγονται ένα προς ένα σε εργαστήρια και για να τεθούν σε μαζική παραγωγή - μια δαπανηρή και ανεπαρκώς ανεπτυγμένη εργασία.
Είναι δύσκολο να αναπτυχθεί ένας στερεός ηλεκτρολύτης που θα είναι και σταθερός, χημικά αδρανής και καλός αγωγός ιόντων μεταξύ των ηλεκτροδίων. Επιπλέον, οι ηλεκτρολύτες είναι πολύ ακριβοί στην κατασκευή και είναι επιρρεπείς σε ρωγμές λόγω της ευθραυστότητάς τους όταν διαστέλλονται και συμπιέζονται κατά τη χρήση. Αλλά ίσως καθώς οι μπαταρίες ιόντων λιθίου γίνονται σταδιακά πιο προσιτές, θα συμβεί.
Ποιες μελέτες έχουν ήδη γίνει;
Τα τελευταία χρόνια έχουν διεξαχθεί πολλές ενδιαφέρουσες μελέτες, οι οποίες είχαν ως στόχο να λύσουν αυτό το πρόβλημα. Οι ερευνητές του MIT έχουν αναπτύξει τους λεγόμενους αγωγούς μικτών ιόντων-ηλεκτρονίων (MIECs), καθώς και ηλεκτρονικούς μονωτές και μονωτές ιόντων λιθίου (ELIs). Είναι μια τρισδιάστατη κυψελοειδής αρχιτεκτονική με σωλήνες MIEC νανοκλίμακας. Οι σωλήνες είναι γεμάτοι με λίθιο, το οποίο σχηματίζει την άνοδο. Ένα βασικό μέρος αυτής της ανακάλυψης είναι ότι η κυτταρική δομή επιτρέπει στο λίθιο να διαστέλλεται και να συστέλλεται κατά τη διάρκεια της φόρτισης και της εκφόρτισης. Αυτή η «αναπνοή» της μπαταρίας αποτρέπει τις ρωγμές. Η επίστρωση των σωλήνων ELI λειτουργεί ως φράγμα προστατεύοντάς τους από στερεούς ηλεκτρολύτες. Αυτή είναι η δομή μιας μπαταρίας στερεάς κατάστασης, η οποία μας γλιτώνει από την ανάγκη προσθήκης οποιουδήποτε υγρού ή τζελ και επομένως μας επιτρέπει να αποφύγουμε τους δενδρίτες.
Κάλεσε μια εταιρεία Συστήματα αποθήκευσης ιόντων ανέπτυξε έναν εξαιρετικά λεπτό κεραμικό ηλεκτρολύτη πάχους περίπου 10 μικρομέτρων, περίπου το ίδιο πάχος με τους σύγχρονους πλαστικούς διαχωριστές που χρησιμοποιούν υγρούς ηλεκτρολύτες. Κάθε πλευρά του κεραμικού ηλεκτρολύτη είναι επικαλυμμένη με ένα εξαιρετικά λεπτό στρώμα οξειδίου του αλουμινίου που βοηθά στη μείωση της αντίστασης. Το πρωτότυπο της μπαταρίας έχει ενεργειακή χωρητικότητα περίπου 300 Wh/kg και μπορεί να φορτιστεί σε 5-10 λεπτά. Για σύγκριση: οι σύγχρονες μπαταρίες NCA φτάνουν σε ενεργειακή χωρητικότητα περίπου 250 Wh/kg.
Στην έκθεση CES φέτος, η Mecedes παρουσίασε το πρωτότυπο αυτοκίνητο AVTR, κατασκευασμένο από φιλικά προς το περιβάλλον υλικά, το οποίο διαθέτει επίσης πλήρως ανακυκλώσιμη μπαταρία. Σε συνέντευξή του, ο Ανώτερος Διευθυντής Έρευνας Μπαταριών της Mercedes, Andreas Hintennach, δήλωσε ότι η τεχνολογία μπαταριών βρίσκεται επί του παρόντος σε εργαστηριακή δοκιμή και θα είναι έτοιμη σε 10-15 χρόνια. Η CATL (ο Κινέζος συνεργάτης μπαταριών της Tesla) έχει επίσης αναπτύξει ένα δείγμα μπαταρίας στερεάς κατάστασης, αλλά ανέφεραν ότι δεν θα κυκλοφορήσει στην αγορά μέχρι το 2030.
Αναμένεται συνεχής παραγωγή μπαταριών στερεάς κατάστασης θα διορθωθεί από το 2025, αλλά αρχικά όχι στην αυτοκινητοβιομηχανία.
Διαβάστε επίσης: