Przegląd
Półprzewodnikowe akumulatory litowo-jonowe to nowa technologia akumulatorów, która ma kilka znaczących zalet w porównaniu z tradycyjnymi ciekłymi akumulatorami litowo-jonowymi. To sprawia, że półprzewodnikowe akumulatory litowo-jonowe są uważane za następną generację technologii akumulatorów. Chociaż półprzewodnikowe akumulatory litowo-jonowe nadal wymagają poprawy w zakresie bezpieczeństwa, moc, i gęstość energii w porównaniu z najbardziej zaawansowanymi dostępnymi obecnie akumulatorami litowo-jonowymi, takie jak oparcie się na odkryciu i zastosowaniu wysokiej jakości elektrolitów stałych w celu zastąpienia obecnie stosowanych roztworów ciekłych.
Przemysł baterii litowych stale się rozwija, codziennie prowadzimy badania w celu opracowania coraz bardziej wydajnych innowacyjnych technologii, aby zapewnić większy zasięg temu produktowi, większa moc, i krótszy czas ładowania.
W tym sensie, Technologia akumulatorów półprzewodnikowych wydaje się być ostatnią granicą technologii, a to powstające rozwiązanie ma ogromny potencjał, aby stać się przyszłością pojazdów elektrycznych. Ma szereg ogromnych zalet, ale także wiele ograniczeń, które opóźniają jego wejście na rynek.
Spis treści
Co to są półprzewodnikowe akumulatory litowo-jonowe?
Bezpośrednia odpowiedź: Obydwa są bateriami litowymi, ale byłoby lepiej.
Zasady ich działania są takie same, z tą różnicą, że wewnątrz półprzewodnikowej baterii litowej nie ma żadnego składnika płynnego. W tradycyjnych bateriach litowo-jonowych, elektrolit jest płynny. Na ogół składa się z soli litu (takie jak LiPF 6, LiBF 4, lub LiClO 4) rozpuszczone w rozpuszczalnikach organicznych (takie jak węglan etylenu, węglan dimetylu, itp.). W baterii smartfona znajduje się płynny składnik zwany elektrolitem, co pozwala na swobodny przepływ jonów litu i zapewnia zasilanie urządzenia po naładowaniu. Prowadzi to również do zjawiska zwanego wyciekiem płynu w przypadku upuszczenia telefonu.
Bateria półprzewodnikowa vs litowo-jonowa: Ujawnianie różnic
W rozwoju akumulatorowych magazynów energii, o czołową pozycję walczy dwóch głównych konkurentów: akumulatory półprzewodnikowe i akumulatory litowo-jonowe. Te potężne baterie zasilają nasze systemy elektroniki użytkowej i energii odnawialnej. Wraz z pojawieniem się akumulator półprzewodnikowy technologia, branża akumulatorów przechodzi rewolucję technologiczną, kwestionując dominującą pozycję akumulatorów litowo-jonowych.
Ale jaka jest kluczowa różnica między akumulatorami półprzewodnikowymi a akumulatorami litowo-jonowymi?
Jak wspomniano wcześniej, główna różnica polega na składzie elektrolitów, co widać także po ich nazwach. Oprócz, możemy dowiedzieć się więcej. Można to też rozumieć jako, po co badać półprzewodnikowe baterie litowe? Jakie są jego zalety?
Gęstość energii
Półprzewodnikowe akumulatory litowo-jonowe： Akumulatory tego typu mogą pomieścić prawie dwukrotnie więcej energii niż ciekłe akumulatory litowo-jonowe, zwłaszcza przy wymianie materiałów anodowych na mniejsze.
Bateria litowo-jonowa：Pojemność akumulatorów litowo-jonowych składających się z różnych surowców chemicznych może się różnić, ale w porównaniu z akumulatorami półprzewodnikowymi, ich gęstość energii jest mniejsza.
Materiał elektrolitowy
Elektrolit akumulatora to przewodząca mieszanina chemiczna, która umożliwia przepływ jonów metali pomiędzy anodą i katodą, co powoduje reakcje elektrochemiczne.
Główna różnica między zwykłymi akumulatorami litowo-jonowymi a półprzewodnikowymi akumulatorami litowymi dostępnymi na rynku polega na tym, że w tych pierwszych do regulacji prądu wykorzystuje się ciekły elektrolit., podczas gdy akumulatory półprzewodnikowe wybierają elektrolit stały.
Półprzewodnikowe akumulatory litowo-jonowe: Stosowanie elektrolitów stałych zamiast cieczy skutkuje mniejszą wagą całkowitą i większą gęstością energii. Będzie to miało również pewne zalety w zakresie masy w niektórych środkach transportu.
Bateria litowo-jonowa: Reakcje elektrochemiczne zachodzą w ciekłych elektrolitach, powodując przepływ jonów litu pomiędzy katodą i anodą.
Baterie litowo-jonowe mają różne typy chemiczne, i są też różnice między nimi. Istnieją LCO, LMO, LFP, NCA, LTO, i tak dalej. Możesz przeczytać ten artykuł pt “6 Rodzaje chemiczne akumulatorów litowo-jonowych, spośród których możesz wybierać” aby uzyskać bardziej szczegółowe zrozumienie.
Bezpieczeństwo baterii litowej
Półprzewodnikowe baterie litowe: Elektrolity stałe zmniejszają ryzyko wypadków termicznych, czyniąc je bezpieczniejszymi, nie tylko w transporcie, ale także w użytkowaniu.
Bateria litowo-jonowa: Łatwo napotkać problemy związane z bezpieczeństwem, takie jak przegrzanie, ekspansja, i ogień, stwarzają większe ryzyko niż akumulatory kwasowo-ołowiowe.
Jak długo działa bateria litowa
Półprzewodnikowe baterie litowe: Elektrolity stałe mają wyższą stabilność i niższą reaktywność w porównaniu do cieczy, co skutkuje stosunkowo dłuższą żywotnością.
Bateria litowo-jonowa: Liczba ładowań akumulatora jest ograniczona w pewnym zakresie. Ciekłe akumulatory litowo-jonowe mają nieco wyższe wymagania temperaturowe, i temperaturę otoczenia podczas ładowania, rozładowywanie, i użycie jest zwykle wskazane. Ma krótszą żywotność w porównaniu do akumulatorów półprzewodnikowych.
Budowa akumulatorów półprzewodnikowych
Każdy akumulator litowo-jonowy tak ma:
Dwie elektrody, które są związkami zdolnymi do przyjęcia osadzonych w swojej strukturze jonów litu.
Katoda odnosi się do elektrody dodatniej akumulatora wykonanego z materiałów katodowych, takich jak LFP, NMC, LMO, itp.
Anoda odnosi się do elektrody ujemnej akumulatora wykonanej z materiału anodowego (takie jak substancje nieaktywne, takie jak węgiel lub grafit).
Przegroda środkowa, czyli cienka warstwa wykonana z plastycznego polimeru (polietylen lub polipropylen), służy jako przegroda między anodą i katodą, a także izolator.
Elektrolit: ośrodek ruchu jonów; Organiczne ciecze zawierające sole litu. Elektrolit wypełnia całą objętość wewnątrz akumulatora, zanurza elektrody, i umożliwia przemieszczanie się jonów litu.
W istniejących bateriach litowo-jonowych, główną funkcją separatora jest izolacja, ale nie ma innych funkcji. Jest całkowicie nasycony ciekłym elektrolitem. Anoda jest zwykle wykonana z grafitu, jony litu przemieszczają się przez elektrolit i są wstawiane w struktury krystaliczne anody i katody. Struktury te mają wewnątrz szczeliny, które mogą pomieścić bardzo małe cząsteczki jonów litu.
Jednakże, wewnętrzna struktura baterii półprzewodnikowych jest inna, ponieważ wszystkie jej elementy i nośniki są stałe.
Baterie półprzewodnikowe składają się z następujących elementów:
Anoda: Wykonane z metalu litowego (czysty lit).
Katoda: Wykonane z tego samego związku co akumulatory litowo-jonowe (takie jak LFP, NMC, LMO, itp.).
Membrana, zwykle ceramiczny lub stały polimer, stosowany jest również jako elektrolit.
Szara warstwa pośrodku to stały separator, który nie tylko służy jako separator pomiędzy anodą i katodą, ale także jako elektrolit.
Dlatego, jest zarówno ośrodkiem ruchu jonów, jak i pełni funkcję izolacji elektrycznej, służąc jako mechaniczna membrana pomiędzy anodą i katodą. Ten solidny i trwały wspornik może usunąć grafitową strukturę anody, zapewniając, że lit metaliczny gromadzi się bezpośrednio na anodzie. Ponadto, istnieje kilka roztworów półstałych, w którym elektrolit jest substancją żelową.
Można zauważyć, że koncepcja akumulatorów półprzewodnikowych jest lepsza pod względem przestrzennym i materiałowym zastosowania elektrolitów i separatorów.
Jak działają półprzewodnikowe akumulatory litowo-jonowe?
Zasada działania akumulatorów półprzewodnikowych jest bardzo podobna do tradycyjnych akumulatorów litowo-jonowych, z tą różnicą, że zamiast ciekłych elektrolitów, przez które przepływają jony litu, używają elektrolitów stałych. Największą zaletą takiego rozwiązania jest to, że akumulatory półprzewodnikowe nie charakteryzują się wszystkimi zagrożeniami charakterystycznymi dla ciekłych elektrolitów.
Ale podstawowa zasada działania jest taka sama. W bateriach półprzewodnikowych, czysty lit gromadzi się na elektrodzie dodatniej akumulatora, a następnie podczas rozładowywania przepływa od elektrody ujemnej do elektrody dodatniej, gromadzą się w postaci metalu zamiast zawierać elektrody z tlenku metalu, jak w przypadku standardowych akumulatorów z ciekłym elektrolitem. Ta funkcja nie tylko sprawia, że bateria jest bezpieczniejsza, ale także pozwala zaoszczędzić dużo miejsca.
Jakie są zalety akumulatorów półprzewodnikowych?
Rozmiar produktu
Elektrolity półprzewodnikowe zastąpiły separatory w tradycyjnych akumulatorach litowo-jonowych, zajmują mniej miejsca i są lżejsze niż zwykłe akumulatory litowo-jonowe. Przełom technologiczny ma potencjał do zastosowania w takich dziedzinach, jak samoloty i ciężarówki do transportu.
Masa baterii
Lit jest najlżejszym pierwiastkiem metalowym, co pozwala anodom litowo-metalowym w akumulatorach półprzewodnikowych zapewniać wyższą gęstość energii w mniejszych opakowaniach. W ten sposób, akumulatory półprzewodnikowe stały się lekką opcją.
Na przykład, w miarę ciągłego zwiększania się liczby pojazdów elektrycznych, zwiększa się także wymagana pojemność baterii, aby utrzymać dane dotyczące zasięgu, co powoduje również problem zwiększonej masy ciała. Ponieważ zwiększona waga doprowadzi do zwiększonego zużycia opon, w wyniku czego powstaje więcej zanieczyszczeń w postaci cząstek stałych. Dlatego, zmniejszenie masy pojazdów elektrycznych i ich akumulatorów nie tylko pomaga zmniejszyć emisję spalin, ale także zmniejsza zużycie opon i uwalnianie cząstek. Baterie półprzewodnikowe mogą zapewnić doskonałe podstawowe wymagania.
Bezpieczeństwo i czas stosowania
Baterie litowo-jonowe zawierają lotne i łatwopalne ciekłe elektrolity, które stwarzają ryzyko pożaru. Baterie półprzewodnikowe, z drugiej strony, mogą wytrzymać wyższe temperatury i mają większą stabilność termiczną, zrobienie im bezpieczniejsze.
Ze względu na mniejszy rozmiar i większą gęstość energii, akumulatory półprzewodnikowe mogą przechowywać więcej energii na mniejszej przestrzeni, co oznacza, że ich użycie może wydłużyć żywotność baterii.
Producent twierdzi, że jego pojazd elektryczny może podróżować 745 mil na jednym ładowaniu.
Jeśli chodzi o prędkość ładowania, akumulatory półprzewodnikowe są również doskonałe. Baterie litowo-jonowe w pojazdach elektrycznych zazwyczaj pobierają 20 minut do 12 godziny do pełnego naładowania, podczas gdy akumulatory półprzewodnikowe można ładować co najmniej do 80% swoich możliwości w zaledwie 10 Do 15 protokół.
Baterie półprzewodnikowe mają również dłuższą żywotność i można je ładować do 5 razy więcej niż akumulatory litowo-jonowe, wydłużając w ten sposób ogólną żywotność baterii. Porównanie danych pokazuje, że litowe baterie półprzewodnikowe są lepsze.
Zmniejsz ślad węglowy
Baterie półprzewodnikowe wykorzystują mniej materiałów i mogą zmniejszyć wpływ na klimat 39% w porównaniu do akumulatorów litowo-jonowych. Oznacza to, że jest także bardziej przyjazny dla środowiska i zgodny z koncepcją rozwoju neutralności węglowej.
Szybkie ładowanie
Najnowsze badania wykazały, że prędkość ładowania akumulatorów półprzewodnikowych jest sześciokrotnie szybsze niż istniejące technologie ładowania litowo-jonowego. Ale żeby osiągnąć tę prędkość, niektóre inne kluczowe wskaźniki wydajności mogą zostać poświęcone, dlatego konieczna jest dalsza optymalizacja.
Jednakże, można potwierdzić, że ciekłe elektrolity są podatne na uszkodzenia w wysokich temperaturach, podczas gdy elektrolity stałe działają lepiej w wysokich temperaturach. Oznacza to, że akumulatory półprzewodnikowe mogą lepiej działać podczas szybkiego ładowania i wytwarzania ciepła, i można je również uznać za takie, które nie tracą swoich właściwości w zakresie wytwarzania ciepła.
Dlaczego ich potrzebujemy?
Poprzez wprowadzenie półprzewodnikowych akumulatorów litowo-jonowych, analiza różnic pomiędzy baterią półprzewodnikową a baterią litowo-jonową, i zalety baterii półprzewodnikowej, uzyskaliśmy wszechstronne zrozumienie.
Dlaczego ich potrzebujemy?
Tradycyjne akumulatory litowe z ciekłym elektrolitem muszą mieć znaczną pojemność, aby zasilać duży sprzęt, taki jak samochody. Baterie te stwarzają zagrożenie dla bezpieczeństwa, mogą one rozszerzać się pod wpływem zmian temperatury lub przeciekać pod wpływem nadmiernego ściskania. Należy zauważyć, że ciecz znajdująca się w środku jest łatwopalna.
Każdy doświadczył niepokoju “baterie telefonów komórkowych wyczerpują się” i rozumie, że kwestia żywotności baterii podczas użytkowania jest również istotnym czynnikiem.
Choć tradycyjne akumulatory litowo-jonowe uległy poprawie w porównaniu do poprzednich akumulatorów, nadal mają niedociągnięcia w rozwiązywaniu tych problemów. Mała prędkość ładowania i ograniczona żywotność sprawiają, że w wielu zastosowaniach sprawdzają się słabo.
Baterie półprzewodnikowe stopniowo rozwiązują te problemy. Mają mniejszą objętość, ale większą pojemność, lżejsza waga, i większe bezpieczeństwo. Prędkość ładowania jest większa, a żywotność dłuższa, dzięki czemu może znacznie zrekompensować wady tradycyjnych baterii litowych. Dlatego też ich potrzebujemy.
Kiedy będzie My widzieć półprzewodnikowe akumulatory litowo-jonowe
Technologia półprzewodnikowa została wykorzystana w małych ilościach w następujących dziedzinach:
Baterie odpowiednie do pracy w odpowiednim klimacie
Bateria do zastosowań lotniczych
Półstały lub stały akumulator hybrydowy.
Niedawno rozpoczęła działalność chińska firma samochodowa 50 samochody wyposażone w akumulatory półprzewodnikowe
Jednak akumulatory półprzewodnikowe są wciąż w fazie rozwoju, nadal jednak istnieją pewne wyzwania, które należy pokonać, aby można je było zastosować komercyjnie na dużą skalę.
Koszt
Obecnie, koszt produkcji akumulatorów półprzewodnikowych jest wyższy niż zwykłych akumulatorów litowo-jonowych, ponieważ wykorzystuje się w nich droższe materiały, a proces produkcji jest bardziej złożony. Zazwyczaj, dojrzałe technologie rynkowe są optymalizowane przed ich wprowadzeniem do użytku, więc jest to proces w toku.
Powiększać w skali rysunek
Większość prac nad akumulatorami półprzewodnikowymi znajduje się wciąż w fazie laboratoryjnej, a baterie półprzewodnikowe są uważane za bezpieczniejsze niż baterie tradycyjne. Jednakże, problem ryzyka zwarcia spowodowanego przez wzrost igieł litowo-metalowych nadal wymaga zbadania i pilnego rozwiązania. Tymczasem, jak zwiększyć skalę produkcji jest również ciągłym tematem badań.
Problemy ze stabilnością
Baterie półprzewodnikowe przypominają oddychanie podczas procesu ładowania i rozładowywania. Anody litowo-metalowe stają się grubsze podczas ładowania i cieńsze podczas rozładowywania. Główny problem polega na tym, jak jednocześnie utrzymać zarówno stan stały, jak i skompresowany.
Akumulator musi pozostać ściśnięty, aby warstwy wewnętrzne nie rozdzieliły się, ale samo przymocowanie go do powłoki zewnętrznej nie wystarczy, ponieważ akumulator wymaga elastycznej rozciągliwości, gdy “oddechowy”.
Dlatego, konieczne jest zaprojektowanie złożonej konstrukcji mechanicznej. Zastosowanie sprężyn w celu utrzymania elastyczności wszystkich elementów podczas ściskania, ale ten system mechaniczny jest złożony i kosztowny, co utrudnia masową produkcję.
Ze względu na skład akumulatorów półprzewodnikowych, ekspansji nie da się całkowicie uniknąć. Prowadząc badania mające na celu zmniejszenie zapotrzebowania na ciśnienie, akumulatory mogą utrzymać stabilność przy niższych ciśnieniach lub zastosować bardziej zaawansowane materiały, aby sprostać zapotrzebowaniu. Będzie to kluczowy kierunek przyszłego rozwoju technologicznego.
Separatory i temperatura
Jony to substancje, które w rzeczywistości są naładowanymi atomami, co ułatwia poruszanie się w cieczach. Aby umożliwić swobodny przepływ jonów w ciałach stałych, separatory (takie jak separatory ceramiczne) musi mieć specjalne komponenty. Obecnie, mamy kilka wysokowydajnych elektrolitów stałych, ale te elektrolity nie działają dobrze w temperaturze pokojowej. Mogą stać się dobrymi przewodnikami tylko w wyższych temperaturach 50 stopni Celsjusza.
Nakłada to ograniczenia na praktyczne zastosowanie akumulatorów półprzewodnikowych, ponieważ akumulatory w pojazdach nie są w stanie utrzymać wysokich temperatur w nieskończoność.
Gdy temperatura akumulatorów półprzewodnikowych nie jest wysoka, ich wydajność znacznie spadnie. Dlatego, potrzebne są dalsze badania, aby upewnić się, że elektrolity stałe mogą dobrze działać również w niskich temperaturach, w celu wykorzystania akumulatorów półprzewodnikowych w bardziej praktycznych zastosowaniach.
Badania i rozwój w dziedzinie akumulatorów półprzewodnikowych postępują szybko, a wielu ekspertów uważa, że akumulatory półprzewodnikowe staną się w końcu standardem w takich dziedzinach, jak pojazdy elektryczne.
Wniosek
Wielu producentów z branży akumulatorów jest zainteresowanych tą obiecującą technologią, takich jak Mercedes-Benz, Volkswagena, Toyoty, Tesli, itp., inwestują także znaczne środki w badania i rozwój. Jeśli problemy techniczne zostaną rozwiązane, staną się pierwszymi ludźmi na rynku i w ten sposób utrzymają władzę dyskursu. Oczekuje się, że zostanie uruchomiony pomiędzy 2024 I 2026, co jest bardzo wyczekiwane i warte uwagi.
