Что, если бы аккумулятор электромобиля мог заряжаться быстрее, чем когда-либо, но при этом работать в два раза дольше? Представьте, если бы аккумуляторы могли быть значительно компактнее и эффективнее. Вот некоторые из потенциальных преимуществ керамических твердотельных аккумуляторов. Однако эта технология все еще не готова к выходу на рынок, и мы расскажем вам, почему.
Хотя технология керамических твердотельных батарей, похоже, способна кардинально изменить привычные нам способы хранения энергии, новаторам еще предстоит решить ряд проблем.
Например, производство таких аккумуляторов в настоящее время обходится слишком дорого, а масштабировать их производство все еще слишком сложно.
Но будущее захватывающее. В этой статье мы рассмотрим различные ключевые аспекты технологии твердотельных керамических аккумуляторов, последние прорывы и связанные с ними проблемы. Но сначала — краткое введение в то, из-за чего вся эта суета.
Что такое керамические твердотельные батареи?
Большинство гаджетов и устройств, которые мы используем в повседневной жизни, работают на литий-ионных аккумуляторах — от часов и телефонов до ноутбуков, электромобилей и т. д. солнечные энергетические системы. Обычно литий-ионный аккумулятор содержит жидкий электролит, через который проходят ионы, чтобы либо зарядить аккумулятор, либо обеспечить питание устройства.
Однако твердотельные батареи — это нечто другое.
Источник: Британника
Как следует из названия, твердотельные батареи заменяют этот жидкий электролит твердым материалом — керамикой. Другими словами, керамические твердотельные батареи используют керамические электролиты для проведения ионов между электродами.
Хотя это звучит как незначительное изменение, керамические электролиты предлагают несколько преимуществ по сравнению с их литий-ионными аналогами. Вот некоторые из этих преимуществ:
-
Безопасность: Керамические твердотельные батареи не протекают и не воспламеняются.
-
Время зарядки: они могут заряжаться в шесть раз быстрее, чем литий-ионные аккумуляторы.
-
Плотность энергии: Керамические электролиты как минимум в два раза плотнее, чем литий-ионные аккумуляторы, что означает более высокую эффективность при одинаковом размере.
- Мощность: Керамические твердотельные батареи как минимум в три раза мощнее литий-ионных батарей при комнатной температуре.
Можно с уверенностью сказать, что твердотельные батареи явно выигрывают по всем направлениям. Но почему они пока не стали мейнстримом? Мы доберемся до этого немного позже.
Являются ли твердотельные батареи более безопасными для окружающей среды?
Ответ — да. Керамические твердотельные батареи имеют меньший углеродный след, поскольку для их производства используется меньше материалов. В результате они значительно лучше для окружающей среды.
В электромобиле, статистика показывает Керамические твердотельные батареи могут снизить воздействие автомобиля на окружающую среду и климат до 39% по сравнению с воздействием литий-ионных батарей за тот же жизненный цикл. Поскольку твердотельные батареи имеют более высокую плотность энергии, они потребуют гораздо меньше производственных материалов и меньше выбросов.
Кроме того, керамические твердотельные батареи также будут потреблять меньше ресурсов в течение своего срока службы. Поскольку они заряжаются значительно быстрее и также требуют больше времени, прежде чем они полностью разрядятся, пользователи будут использовать меньше ресурсов для управления этими батареями.
Следует также отметить, что такая долговечность означает, что со временем потребуется производить и заменять меньше батарей, что снижает нагрузку на окружающую среду, связанную с добычей сырья, производством и утилизацией.
Итак, давайте рассмотрим другие преимущества керамических твердотельных аккумуляторов.
Основные преимущества керамических твердотельных батарей
Технология керамических твердотельных аккумуляторов все еще находится в стадии разработки. Однако она уже предлагает несколько потенциальных областей усовершенствования по сравнению с текущими аккумуляторами на рынке.
Вот некоторые из преимуществ, которые предлагают твердотельные батареи:
Более высокий коэффициент безопасности
Жидкий компонент литий-ионных аккумуляторов является одной из самых актуальных проблем безопасности, поскольку он летуч и огнеопасен. Поскольку твердотельные аккумуляторы не содержат жидкого электролита, они, как правило, безопаснее и стабильнее. Кроме того, твердая керамика образует более стабильный и более термостойкий сепаратор между анодом и катодом аккумулятора, что эффективно предотвращает короткие замыкания.
Большая плотность энергии
Еще одна область, где керамические твердотельные батареи блистают, — это улучшенная плотность энергии. Керамические твердотельные батареи используют анод из чистого металла в отличие от графитового анода в литий-ионных батареях. Это приводит к значительному увеличению плотности энергии батареи, что приводит к более легкой и компактной батарее.
Очень быстрое время зарядки
Исследования показывают, что керамические твердотельные батареи могут заряжаться в шесть раз быстрее, чем все другие технологии батарей, представленные сегодня на рынке. Хотя точные цифры пока не определены, исследования показывают, что эти батареи могут достичь заряда до 80% всего за 10 или 15 минут.
Кроме того, керамические твердотельные приборы также смогут работать лучше при более высоких температурах, поскольку керамика, как правило, более устойчива к теплу.
Увеличенная вместимость и дальность полета
Поскольку твердый керамический электролит устраняет необходимость в сепараторе (как в литий-ионных аккумуляторах), твердотельные аккумуляторы, как правило, будут меньше после производства. Кроме того, улучшенная плотность энергии твердотельных аккумуляторов означает, что больше можно упаковать в меньшее. Другими словами, аккумуляторы могут быть более мощными, не становясь слишком громоздкими. Твердотельные аккумуляторы также будут иметь меньший вес.
Источник: Unsplash
Невозможно отрицать различные аспекты, в которых керамические твердотельные батареи блистают. Но давайте рассмотрим различные проблемы или недостатки, которые у них есть.
Проблемы керамических твердотельных батарей
Технология керамических твердотельных аккумуляторов обещает произвести революцию в сфере хранения энергии, одновременно повышая эффективность электромобилей. Однако, есть еще некоторые критические препятствия, которые необходимо преодолеть, прежде чем она будет готова для потребителей и рынка.
Вот три причины, по которым прорыв в области твердотельных аккумуляторов до сих пор не произошел:
Проблемы со стабильностью
Когда твердотельная батарея заряжается, ее ячейки расширяются, а затем возвращаются в нормальное состояние во время разрядки — почти как будто ячейка дышит. Это вызывает некоторую нестабильность, которая в конечном итоге приведет к ухудшению состояния батареи. Чтобы решить эту проблему, необходимо разработать инновационный способ сохранения твердотельных ячеек фиксированными и сжатыми одновременно.
Наиболее эффективен при более высоких температурах.
Поскольку твердые электроды являются лучшими проводниками при более высоких температурах (обычно при температурах выше 50 градусов), это означает, что твердотельная батарея может быть не очень эффективна, когда она холодная. В результате необходимо провести работу, чтобы гарантировать, что твердотельная батарея хорошо работает при более низких температурах.
Высокая себестоимость продукции
Еще одной серьезной проблемой керамической твердотельной батареи является ее относительно высокая стоимость производства. Хотя эта технология, несомненно, инновационная, ее высокая стоимость производства представляет собой существенное препятствие для ее масштабирования.
Источник: Unsplash
Собираем все вместе
Перспектива керамических твердотельных аккумуляторов захватывающая, поскольку они являются ключом к решению многих проблем, с которыми потребители и предприятия в настоящее время сталкиваются с литий-ионными аккумуляторами. От более высокой энергоэффективности до более быстрого времени зарядки и улучшенной безопасности, преимущества, которые предлагают эти новые технологии аккумуляторов, многочисленны.
Однако путь к массовому внедрению требует больше инноваций для решения существующих проблем с керамическими твердотельными батареями. Тем не менее, технология твердотельных батарей обещает переосмыслить энергетические решения, и мы с нетерпением ждем, когда она выйдет на рынок!