Kuidas tahkisaku töötab

Tahkiseakud töötavad tahke elektrolüüdi abil, mis on oluline tahkiseakude toimimise mõistmiseks. See tahke elektrolüüt võimaldab ioonidel elektroodide vahel tõhusalt liikuda, muutes aku ohutumaks ja võimaldades sellel rohkem energiat salvestada. Näiteks sulfiidipõhistel tahketel elektrolüütidel on suurepärane ioonjuhtivus, mille väärtused on üle 10^-2 S/cm. Nende akude energiatihedus algab tavaliselt 400–500 Wh/kg ja võib ületada 1000 Wh/kg.

Peamised järeldused

• Tahkispatareidel on tahke elektrolüüt. See liigutab ioone ohutult ja kiiresti. Need on tavalistest patareidest ohutumad ja tugevamad.

• Need akud mahutavad rohkem energiat. Need laevad kiiremini ja töötavad kauem. See aitab seadmetel olla väiksemad, kergemad ja töökindlamad.

• Tahkispatareidel on endiselt probleeme. Need on kallid ja neid on raske valmistada. Teadlased töötavad nende probleemide lahendamise nimel. Peagi võivad neid kasutada rohkem elektriautod ja -seadmed.

Mis on tahkisakud?

Tahkispatareid on tahke materjal, mis liigutab ioone. Nendes patareides ei ole vedelikku. Nad kasutavad selliseid asju nagu sulfiidipõhised elektrolüüdid või kuivkattega osakesed. See muudab aku ohutumaks ja stabiilsemaks.

Võite küsida, mille poolest need akud teie telefoni või sülearvuti omadest erinevad. Tavalised liitiumioonakud kasutavad vedelat elektrolüüti. See vedelik võib aku purunemisel lekkida või süttida. Tahkispatareidel seda probleemi pole. Tahke materjal ei leki ja talub kuumust paremini.

Siin on lihtne tabel peamiste erinevuste illustreerimiseks:

Tahkis-akud suudavad salvestada rohkem energiat ja kesta kauem. Teadlased kasutavad spetsiaalseid tööriistu ja katseid, et tõestada nende akude paremat toimimist ja ohutumat toimimist. Tahkis-akudega asjade kasutamisel saate suurema energiatarbe väiksemas ja ohutumas akus.

Näpunäide: Tehnoloogia arenedes näete tahkisakusid üha rohkemates asjades, näiteks telefonides ja elektriautodes.

Kuidas tahkisaku töötab

Tahkispatareid erinevad tavalistest patareidest. Neil on kolm peamist osa: anood, katood ja tahke elektrolüüt. Tahke elektrolüüt asub anoodi ja katoodi vahel. See laseb ioonidel liikuda, kuid peatab elektronid. See aitab akul energiat ohutult säilitada ja eraldada.

Kui laadite akut, liitiumioonid lahkuvad katoodistNad liiguvad läbi tahke elektrolüüdi anoodile. Aku kasutamisel lähevad ioonid tagasi katoodile. Tahke elektrolüüt laseb ioonidel liikuda. Elektronid peavad läbima aku välisküljel oleva juhtme. See annab teie seadmetele energiat.

Teadlased proovivad erinevaid tahkeid elektrolüüte, et näha, milline neist toimib kõige paremini. Elektrolüüdi valmistamiseks kasutavad nad liitiumirikkaid materjale. See, kuidas nad seda valmistavad, muudab ioonide liikumise kiirust. Röntgentestid näitavad, et struktuur aitab ioonidel kiiresti liikuda. Mõne tahke elektrolüüdi ioonjuhtivus on üle 1 mS/cm. See tähendab, et ioonid liiguvad väga hästi. Kõrge juhtivus aitab akudel kiiremini laadida ja kauem vastu pidada.

Võite mõelda, kuidas tahkisakud ja liitiumioonakud võrreldavad on. Suurim erinevus seisneb elektrolüüdis. Liitiumioonakud kasutavad vedelat elektrolüüti. See vedelik võib kahjustumisel lekkida või süttida. Tahkisakud kasutavad tahket elektrolüüti. See ei leki ega põle kergesti. See muudab need palju ohutumaks.

Märkus: Tahked elektrolüüdid ei sütti. Need vähendavad tule ja ülekuumenemise ohtu. See teeb tahkisakud heaks lahenduseks elektriautodele ja suurtele energiasalvestusvõimalustele.

Ohutusalaste erinevuste näitamiseks on siin tabel:

Tahkis-akud töötavad mitmel moel paremini. Tahke elektrolüüt annab suurema energiatiheduse. Väiksemas akus on rohkem võimsust. Aku kestab kauem ja laeb kiiremini. Testid näitavad, et parem ioonide liikumine annab kuni 98,9% täismahutavusest. Energiatõhusus võib ulatuda 97,8%-ni. See tähendab, et vähem energiat raisatakse ja igast laadimisest saadakse rohkem kasu.

Nüüd teate, kuidas tahkisakud töötavad. Tahke elektrolüüt on väga oluline. See võimaldab ioonidel kiiresti ja ohutult liikuda. See muudab aku ka ohutumaks ja tugevamaks kui vanad akud. Mida rohkem te õpite, seda paremini näete, miks see tehnoloogia on tuleviku jaoks oluline.

Mis tüüpi tahkispatareid on olemas?

Tahkispatareisid on mitut tüüpi. Igal liigil on erinevad materjalid ja disain. Need muutused mõjutavad aku toimimist ja kasutusala.

Tahkispatareid jagunevad kahte põhirühma. Rühmad sõltuvad elektrolüüdi paksusest.

• Tahkefaasilised patareid on paksud elektrolüüdid. Inimesed valmistavad neid osade kokku pressimise või kuumutamise teel.

• Õhukese kilega tahkisakud on väga õhukesed kihid. Need kihid võivad olla vaid mõne nanomeetri paksused. Nende õhukeste kilede valmistamiseks on vaja spetsiaalseid masinaid.

Samuti on palju tüüpe, mis põhinevad aku sisul. Siin on tabel, mis aitab teil neid võrrelda:

Näpunäide: Saate valida akutüübi, mis vastab teie vajadustele. Õhukese kilega akud sobivad hästi väikeste asjade, näiteks kiipkaartide jaoks. Mahukad akud sobivad paremini elektriautodesse.

Nüüd teate, et tahkispatareisid on mitut tüüpi. Igal liigil on erinevate kasutusalade jaoks erilised eelised.

Tahkis- vs liitiumioonaku

Tahkis- ja liitiumioonakud ei ole samad. Tahkis-akud kasutavad tahket elektrolüüti. Liitiumioonakud vedelat elektrolüüti. See muudab tahkis-akud palju ohutumaks. Need süttivad harvemini. Need mahutavad rohkem energiat väiksemas suuruses. Need kestavad ka kauem kui liitiumioonakud. Kuid tahkis-akud maksavad praegu rohkem. Neid on ka raskem valmistada.

Siin on tabel, mis aitab teil võrrelda:

Eelised ja puudused

Tahkispatareidel on palju häid omadusi:

• Need salvestavad 2–2,5 korda rohkem energiat kui liitiumioonakud. See tähendab, et akud võivad olla kergemad ja väiksemad.

• Laadimine on kuni 6 korda kiirem. Sa ei pea nii kaua ootama.

• Tulekahju oht on palju väiksem, üle 20 korra väiksem.

• Need toimivad hästi nii kuumas kui ka külmas kohas ja kestavad kauem.

Kuid on ka mõned probleemid:

• Need maksavad palju uute materjalide ja spetsiaalsete tehaste tõttu.

• Enamik tahkispatareisid peab parimaks tööks olema toatemperatuurist kuumem.

• Mõned testpatareid ei kesta nii kaua kui liitium-raudfosfaatpatareid. Need võivad kesta üle 4000 tsükli.

Märkus: Eksperdid arvavad, et hinnad võivad 2028. aastaks langeda 140 dollarini kWh kohta. Kuid enne paljude selliste toodete tootmist võib kuluda veel viis aastat.

Millised on tahkis-akude rakendused?

Rakendused ja väljakutsed

Tahkis-akusid kasutatakse elektriautodes, nutitelefonides ja kiipkaartides. Näiteks Nio ET7 sedaan kasutab pooltakki. See suudab ühe laadimisega läbida 650 miili. Samsungi tahkis-aku suudab läbida üle 600 miili. See saab 80% täis vähem kui 10 minutiga.

• Tahkispatareid on ohutumad ja kestavad kauem.

• Nende ehitamiseks on vaja spetsiaalseid materjale ja hoolikat ettevalmistust.

• Tahkeid osi on raske koos hoida.

• Tehased peavad hoidma vee eemal, eriti sulfiidipõhiste akude puhul.

Näete rohkem tahkisakusid, kui need odavamaks muutuvad. Tehased muutuvad nende tootmises paremaks. Praegu näevad need väga paljulubavad välja, kuid neil on veel mõned probleemid, mida lahendada.

Kui ohutud on tahkisakud?

Võite mõelda, kas tahkisakud on ikka tavalistest ohutumad. Need akud kasutavad tahket elektrolüüti. See tahke osa ei põle ega leki. Seetõttu on neil palju väiksem tõenäosus süttida kui patareidel, mille sees on vedelik. Tahkisakusid kasutades näiteks autodes või telefonides võite end turvalisemalt tunda.

Kuid ohutus ei seisne ainult tulekahjude peatamises. Purdue ülikooli teadlased uurisid, mis juhtub nende akude rikke korral. Nad leidsid, et mõned tahked elektrolüüdid, näiteks Li10SnP2S12, võivad ikkagi väga kuumaks minna. See juhtub siis, kui anoodil algavad teatud keemilised reaktsioonid. Need reaktsioonid võivad aku kiiresti kuumeneda. Kuumus võib panna katoodi hapnikku eraldama. See võib põhjustada rohkem reaktsioone ja nn termilist läbimurret. Seega, isegi kui tahked osad ei põle, võib aku ikkagi väga kuumaks minna, kui selle sees on probleem.

Teadlased kasutavad tahkisakude sisemuse uurimiseks röntgenikiirguse tööriistu. Faraday Instituudi SOLBAT projekt leidis, et enne liitiumi kogunemist võivad tahkesse elektrolüüti tekkida praod. Need praod võivad levida ja põhjustada lühiseid. Kui akut liiga palju kasutada, võivad tekkida tühjad kohad. Liitium võib nendesse paikadesse kasvada ja muuta aku ohtlikuks.

Näpunäide: Tahkispatareid on ohutumad kui vanad patareid, kuid siiski tuleb olla ettevaatlik. Uued disainid ja paremad materjalid muudavad need peagi veelgi ohutumaks.

Millised on tahkisakude praktilise rakendamise väljakutsed?

Tahkispatareid tunduvad suurepärased, aga neil on probleeme. Teadlastel ja inseneridel on raske neid päriselus tööle panna. Autodes ega telefonides pole neid akusid lihtne kasutada.

Siin on tabel, kus on loetletud peamised probleemid:

Tahkispatareide valmistamine on keeruline. Kihid peavad olema siledad ja pragudeta. Kui aku muutub suuremaks või väiksemaks, võib see seestpoolt puruneda. Külm ilm muudab ioonide liikumise veelgi aeglasemaks. Tehased vajavad nende akude valmistamiseks spetsiaalseid masinaid. See muudab need kallimaks.

Vihje: Teadlased töötavad nende probleemide lahendamise nimel. Kui nad leiavad paremaid lahendusi, näete enda ümber rohkem tahkispatareisid.

Millal tulevad elektriturule tahkisakud?

Sa võid mõelda, millal sa näed tahkisakud elektriautodes ja muudes seadmetes. Turuanalüüsi aruanded näitavad, et tahkis-akude turg kasvab kiiresti. 2024. aastal on turu suurus umbes 128,5 miljonit dollarit. Eksperdid prognoosivad, et 2032. aastaks ulatub see 2001,7 miljoni dollarini. See tähendab, et turg võib igal aastal kasvada üle 40%. Aastatel 2025–2032 võib oodata rohkem tahkis-akude turuletulekut.

Sellele kasvule aitavad kaasa paljud asjad. Elektriautode müük kasvab pidevalt. Valitsused pakuvad stiimuleid puhtama energia kasutamiseks. Laadimisjaamu on lihtsam leida. Ettevõtted kulutavad ka rohkem raha teadus- ja arendustegevusele. Suured autotootjad ja akufirmad teevad koostööd uute tehaste ehitamiseks. Need sammud aitavad tahkete osakeste akusid kiiremini turule tuua.

Tõenäoliselt näete esimesi tahkisakusid tipptasemel elektriautodes. Edetabelis on eesotsas ettevõtted USA-s, Euroopas, Hiinas ja Jaapanis. Pärast luksusautosid võite neid akusid näha tavalistes autodes, bussides ja isegi kodustes energiasalvestussüsteemides.

Märkus: Te ei pruugi kohe igas autos tahkisakusid näha. Alguses maksavad need rohkem ja on saadaval erimudelites. Mida rohkem tehased toodavad, seda enam hinnad langevad ja te näete neid rohkemates kohtades.

Siin on kiire ülevaade sellest, mida oodata:

Tahkisakud on peagi tulekul. Järgmise paari aasta jooksul näete, kuidas need muudavad teie elektriautode ja muude seadmete kasutamist.

Oled õppinud, kuidas tahkisakud töötavad. Need akud kasutavad tahket elektrolüüti. See aitab ioonidel ohutult ja kiiresti liikuda. Siin on mõned nende peamised head omadused:

Tahkispatareid võivad muuta elektriautod ja -seadmed kõigi inimeste jaoks paremaks.

KKK

Mis teeb tahkisakud tavalistest akudest ohutumaks?

Tahkispatareid on ohutumad, kuna tahke elektrolüüt ei saa lekkida. Samuti ei sütti see. See tähendab, et teie seadmetel on väiksem õnnetuste oht.

Kas külma ilmaga saab tahkispatareisid kasutada?

Neid patareisid saab külma ilmaga kasutada, aga need ei tööta nii hästi. Mõned tüübid taluvad külma paremini kui teised. Jälgige alati patarei ohutut temperatuurivahemikku.

Kui kaua tahkisakud vastu peavad?

Tahkisakud kestavad tavaliselt kauem kui liitiumioonakud. Paljusid saab laadida kuni 2000 korda, enne kui nad hakkavad võimsust kaotama.