Mis on tahkis-liitiumaku

Tahkis-liitiumakud pälvivad üha suuremat ülemaailmset tähelepanu tänu oma suurepärasele ohutusele, suuremale energiatihedusele, pikemale elueale ja võimele töötada laias temperatuurivahemikus. Erinevalt tavapärastest liitiumakudest, mis tuginevad vedelelektrolüütidele, kasutavad tahkisakud oma põhikomponendina tahkeid elektrolüüte – see on võtmetegur, mis kujundab nende jõudlust. Need tahked materjalid mõjutavad otseselt olulisi omadusi, nagu võimsus, tsükli stabiilsus, tööohutus ja vastupidavus nii kõrgetel kui ka madalatel temperatuuridel. Seetõttu investeerivad teadusasutused, juhtivad elektroonikabrändid ja autotootjad kogu maailmas aktiivselt tahkis-elektrolüüditehnoloogiate arendamisse ja optimeerimisse.

• Elektriautode müük on alates 2019. aastast kasvanud 40%. See on suurendanud akude vajadust kõikjal.

• Aasia ja Vaikse ookeani piirkond on peamine turg, kus 2024. aastal moodustas see üle 54% rahast.

• Energiatihedus võib ulatuda kuni 500 Wh/kg-ni. See on peaaegu kaks korda rohkem kui tavalistel akudel.

Peamised järeldused

• Tahkis-liitiumakud omama tahket elektrolüüti. See muudab need tavaliste liitiumioonakudega võrreldes ohutumaks ja süttimisohtlikumaks. Need akud mahutavad samas ruumis rohkem energiat. See aitab seadmetel ja elektriautodel kauem vastu pidada. Need ei pea olema suuremad ega raskemad. Samuti laevad nad palju kiiremini. Paljud saavutavad 80% laetuse vähem kui 15 minutiga. See tähendab, et kasutajad ei pea nii kaua ootama. Tahkis-akude tootmine on praegu keerulisem ja kallim. Kuid teadlased töötavad selle nimel, et muuta need odavamaks ja kauem kestvaks. Tahkis-akude turg kasvab kiiresti. Elektriautode, elektroonika ja energia salvestamise järele on suur nõudlus. See annab lootust helgele tulevikule.

Mis on tahkis-liitiumaku

Tahkis-liitiumaku põhitõed

A tahkis-liitiumaku on tahke elektrolüüt, mitte vedelik. See tahke osa asub katoodi ja anoodi vahel. Aku laadimisel või kasutamisel liiguvad liitiumioonid läbi tahke elektrolüüdi. See liikumine tekitab elektrit. Tahke elektrolüüt hoiab aku ka ohutu ja stabiilsena.

Tootjad kasutavad tahke elektrolüüdi valmistamiseks keraamikat, oksiide, sulfiide, fosfaate ja polümeere. Keraamika sobib hästi kõvade akude jaoks. Polümeerid aitavad luua painduvaid akusid. Mõned akud kasutavad väikeste vidinate jaoks õhukesi kilesid. Teised kasutavad elektriautode jaoks pakse materjale. Tahke elektrolüüt aitab peatada lekkeid, paisumist ja tulekahjusid, mis võivad tekkida vedelate elektrolüütidega.

Teadlased avastasid, et amorfsed tahked elektrolüüdid lasevad liitiumioonidel kergemini liikuda. See aitab akul paremini töötada isegi väga kuumades või külmades kohtades. Elektrolüüdi sees olevad liitiumirikkad materjalid annavad rohkem laengukandjaid. See muudab aku veelgi paremaks tööks.

Märkus: Tahkis-liitiumaku mahutab samas ruumis rohkem energiat kui vanemad akud. See teeb sellest suurepärase valiku elektriautodele, telefonidele ja muudele asjadele, mis vajavad pikka aega energiat.

Kuidas see erineb liitiumioonakust

Nii tahkis-liitiumakud kui ka liitiumioonakud kasutavad energia salvestamiseks ja eraldamiseks liitiumioone. Suurim erinevus seisneb elektrolüüdis. Liitiumioonakud kasutavad vedelat elektrolüüti. Tahkisakud kasutavad tahket elektrolüüti.

Siin on tabel, mis võrdleb kahte tüüpi:

• Tahkispatareid kasutavad tahket elektrolüüti, seega ei ole tuleohtlikest vedelikest tulenev tuleoht.

• Nad saavad kiiremini laadida ja töötada nii kuumemates kui ka külmemates kohtades.

• Tahkispatareide tootmine on kallim ja keerulisem.

• Liitiumioonakud on odavamad ja lihtsamini valmistatavad, seega kasutatakse neid rohkem.

Teadlased töötavad endiselt tahkisakude täiustamise nimel. Nad uurivad, kuidas liitiumioonid liiguvad ja kuidas aku osad koos töötavad. Nad kasutavad spetsiaalseid materjale ja konstruktsioone, et liitiumioonid saaksid kiiresti ja ohutult liikuda. Probleeme on endiselt, näiteks aku pikaealisuse tagamine ning selle sees olevate pragude ja kontakti puudumine.

Kuidas see toimib

Tahke elektrolüüdi roll

Tahke elektrolüüt asub aku keskel. See laseb liitiumioonidel liikuda ühelt küljelt teisele. See osa toimib sillana anoodi ja katoodi vahel. Vedelad elektrolüüdid võivad lekkida ja süttida, kuid tahke elektrolüüt mitte. See muudab aku ohutumaks ja hoiab selle stabiilsena.

Teadlased katsetasid mitut tüüpi tahkeid elektrolüüte. Mõned on valmistatud keraamikast ja mõned kasutavad polümeere. Teised segavad mõlemat materjali kokku. Komposiitpolümeer-elektrolüüdil on pehme polümeeri sees pisikesed keraamilised tükid. See annab liitiumioonidele rohkem liikumisvõimalusi. Aku saab seejärel kiiremini töötada ja kauem vastu pidada.

Märkus: Testides säilitasid tahkete elektrolüütidega akud peaaegu kogu oma võimsuse pärast 250 tsüklit kiirusega 0,5 C. Samuti lasid need liitiumioonidel liikuda peaaegu kaks korda kiiremini kui vanemad akud.

Siin on tabel, mis näitab, kuidas tahked elektrolüüdid akusid aitavad:

Liitiummetalli anood

Liitiummetallanood annab akule palju energiat. See on õhuke kiht, mis hoiab väikeses ruumis palju laengut. Aku kasutamisel lahkuvad liitiumioonid anoodilt ja liiguvad läbi tahke elektrolüüdi katoodi. Laadimisel naasevad nad anoodile.

Testid näitavad, et liitiummetallanoodid aitavad akudel kauem vastu pidada ja paremini töötada. Mõned akud säilitasid suurema osa oma võimsusest ka pärast 1250 tsüklit suure mahtuvuse korral. Energiatihedus ulatus 1000 Wh-ni liitri kohta, mis on elektriautodele hea. Tahke elektrolüüt takistab ka teravate ogade ehk dendriitide kasvu. See hoiab aku turvaliselt ja aitab sellel kiiremini laadida.

Tahke elektrolüüt ja liitiummetallanood töötavad koos. Need aitavad akul rohkem energiat salvestada, kauem vastu pidada ja ohutuna püsida.

Eelised

Ohutus

Tahkis-liitiumakul on tahke elektrolüüt, mitte vedelik. See tähendab, et lekete või tulekahjude ohtu pole. Aku ei sisalda tuleohtlikke vedelikke, seega on see kasutamisel ja laadimisel ohutum. Testid näitavad, et need akud ei kuumene üle ega lühistu nii kergesti kui vanad. Samuti läbivad nad ranged ohutuskontrollid, näiteks kuumenemis- ja lühisetestid.

• Sees ei ole tuleohtlikku vedelikku

• Väiksem lekete või tulekahju oht

• Saab ohutustestides paremini hakkama

Ohutus on peamine põhjus, miks ettevõtted soovivad autodes ja elektroonikas tahkisakusid.

Energiatihedus

Tahkis-liitiumakud suudavad sama suuruse juures hoida rohkem energiat kui tavalised liitiumioonakud. See on nii seetõttu, et tahke elektrolüüt võimaldab akul olla õhemad kihid ja kasutada tugevaid materjale, näiteks metallilist liitiumi. Allolev tabel näitab, kui palju rohkem energiat need akud suudavad hoida:

Suurema energiatihedusega seadmed võivad kauem vastu pidada või teha rohkem ilma suuremaks või raskemaks muutumata.

Laadimiskiirus

Tahkis-liitiumakud saavad laadida palju kiiremini kui vanad akud. Ettevõtete ja laborite testid näitavad, et mõned akud saavad laetud 10%-lt 80%-le vähem kui 15 minutiga. Need akud laevad kiiresti sadu kasutuskordi, seega kestavad nad kaua. Ühes testis laeti aku 80% alla 10 minutiga ja säilitati üle 80% laetuse pärast 3000 kasutuskorda.

Kiirlaadimine võimaldab elektriautodel ja -vidinatel veeta vähem aega vooluvõrku ühendatuna ja rohkem aega kasutuses.

Väljakutsed

Tootmisprobleemid

Tahkis-liitiumaku valmistamine pole lihtne. Tehased vajavad spetsiaalseid materjale ja tööriistu. Keraamikat on raske vormida ning see vajab palju kuumust ja rõhku. Rullilt rullile meetodid sobivad õhukeste ja painduvate osade jaoks. Paksud või jäigad osad muudavad selle raskemaks. Töötajad peavad kontrollima tühjade kohtade olemasolu ja veenduma, et kristallstruktuur on õige. Kui kihid segunevad või liitium koguneb, kaotab aku energiat. Tehased kasutavad iga osa kontrollimiseks täiustatud masinaid. Materjalid peavad olema kergesti kättesaadavad ja püsima stabiilsena, vastasel juhul akude valmistamine aeglustub.

• Jäigad osad raskendavad paljude akude valmistamist.

• Kõrge rõhk ja kuumus muudavad asjad keerulisemaks.

• Kihtide vahelised probleemid võivad aku energiat vähendada.

• Kvaliteedi kontrollimiseks on vaja spetsiaalseid masinaid.

Kulutõkked

Tahkis-liitiumakude tootmine on kallim kui tavaliste akude. Tehased maksavad rohkem selliste materjalide nagu LLZO ja LGPS eest. Nende kilogramm võib maksta tuhandeid. Tahke elektrolüüdi valmistamine on umbes 70% kogukulust. Tehased vajavad kõrge kuumuse ja rõhu jaoks spetsiaalseid tööriistu. Keraamiliste osade tõttu on ringlussevõtt keerulisem. Ekspertide sõnul on madalaim kilovatt-tunni hind 113–157 dollarit. Tavalised liitiumioonakud maksavad umbes 101 dollarit kilovatt-tunni kohta. Need kõrged hinnad raskendavad tahkisakude odavat müümist.

Tehnilised tõkked

Tehnilised probleemid aeglustavad liitiumakusid. Tahkete osade vaheline suur takistus raskendab energia edastamist. See kiirendab ka aku kulumist. Dendriidid võivad kasvada sisse ja põhjustada lühiseid või tulekahjusid. Tahke osa pinge ja praod võivad kihte lõhkuda. See lühendab aku eluiga. Mõned akud vajavad hea toimimise tagamiseks suurt kuumust ja rõhku. Seetõttu on neid reaalsetes toodetes raske kasutada. Teadlased näevad, et liitium koguneb ja muutub kihtides. See käivitab dendriitide kasvu ja põhjustab akude rikke. Need probleemid näitavad, miks on raske muuta liitiumakusid ohutuks ja kauakestvaks.

Kasutusel olev tahkis-liitiumaku

Tarbeelektroonika

Paljud ettevõtted panevad nüüd tahkis-liitiumakud telefonides, sülearvutites, tahvelarvutites ja kantavates seadmetes. Need akud aitavad seadmetel kauem töötada ja kiiremini laadida. Samuti muudavad need seadmed ohutumaks, kuna lekete või tulekahjude oht on väiksem. Nende akude turg kasvab väga kiiresti. 2023. aastal oli selle väärtus 85,1 miljonit dollarit. Eksperdid arvavad, et see ulatub 2030. aastaks 358,1 miljoni dollarini. Selle põhjuseks on akudel parem energiatihedus, ohutum disain ja väiksemad suurused. Uued materjalid, nagu keraamika ja polümeerkomposiidid, aitavad akudel väikestes vidinates paremini töötada. Ettevõtted kasutavad uusi viise akude kiiremaks ja odavamaks muutmiseks.

• Tahkis-liitiumakud muudavad seadmed ohutumaks, peatades lekked ja vähendades tuleohtu.

• Uued elektrolüüdid ja nutikad disainid aitavad akusid väiksematesse vidinatesse mahutada.

• Turg kasvab kiiresti, sest inimesed soovivad turvalisemat ja kauakestvamat elektroonikat.

Elektrisõidukid

Tahkis-liitiumakud muudavad elektriautode tööpõhimõtet. Need akud võimaldavad autodel kaugemale sõita ja kiiremini laadida. Näiteks Nio ET7 sedaan kasutab pooltahkisakut ja suudab ühe laadimisega sõita 1000 kilomeetrit. Samsung valmistas aku, mis laeb 80% täis vähem kui 10 minutiga ja suudab läbida üle 960 kilomeetri. Mercedes-Benz testis autot tahkisakuga, mis sõidab 25% kaugemale kui tavaliste akudega autod. Aku muudab auto ka kergemaks ja ohutumaks. Paljud autotootjad... Toyota, Honda ja BMW tahan neid akusid varsti kasutada.

Laborikatsed näitavad, et mõned tahkisakud kestavad kuni 6000 tsüklit ja laadimine võtab vaid 5–10 minutit. See on palju parem kui tavaliste elektriautode akude puhul.

Võrgusalvestus

Tahkis-liitiumakud aitavad ka elektrivõrgu jaoks energiat salvestada. Need akud kestavad kauem ja toimivad hästi nii kuuma kui ka külma ilmagaNeed säilitavad oma energia tuhandete kasutuskordade järel, seega sobivad need hästi päikese- või tuuleenergia salvestamiseks. Patareid püsivad ohutud ja stabiilsed isegi suure kasutamise korral. Ettevõtted ja valitsused kulutavad nendele patareidele raha, et muuta energia salvestamine ohutumaks ja usaldusväärsemaks. Kuna taastuvenergiat kasutatakse üha rohkem, aitavad tahkis-liitiumakud tulesid põlema panna.

BSLBATTi läbimurre liitiumakude tahkis-liitiumakudes

51,2 V 280 Ah

BSLBATT tegi oma 51,2 V 280 Ah akuga suure edasimineku. See aku kasutab parema ohutuse ja võimsuse tagamiseks spetsiaalseid tahkeid materjale. Insenerid ehitasid selle asjadele, mis vajavad palju energiat, näiteks elektriautod ja varutoide. See sobib ka suurte energiasalvestussüsteemide jaoks.

See BSLBATT 51,2 V 280 Ah aku on eriline kõrgepinge ja suure mahtuvuse tõttu. See võimaldab tal hoida rohkem energiat ja vajadusel seda kiiresti välja anda. Aku töötab hästi nii kuumades kui ka külmades kohtades, seega on see paljudes piirkondades töökindel.

Siin on peamised tehnilised üksikasjad:

Aku talub tugevaid voolusid. See aitab tal käitada raskeid masinaid või laadida sõidukeid kiiresti. See töötab nii külma kui ka kuuma ilmaga. See teeb selle heaks kasutamiseks õues või tehases.

BSLBATTi 51,2 V 280 Ah aku pakub ohutust, võimsust ja pikka eluiga. Inimesed saavad sellele loota nii igapäevasel kasutamisel kui ka hädaolukordades.

Ettevõte teeb oma akusid pidevalt paremaks. Nad tahavad peagi veelgi rohkem võimsust ja rohkem kasutusvõimalusi.

Tulevikuväljavaated

Tööstuse tegevuskava

Eksperdid arvavad, et täiustatud akude populaarsus kasvab peagi märkimisväärselt. Turg võib kasvada ... 104,37 miljonit dollarit 2023. aastal ja 768,31 miljonit dollarit 2030. aastaksSee on suur hüpe, mille aastane kasvumäär on 33%. 2033. aastaks võib turu väärtus ulatuda üle 120 miljardi dollari. Aasia ja Vaikse ookeani piirkond on juhtival kohal, teenides üle 35% rahast. See kasv tuleb elektriautode, väikeste vidinate ja uue tehnoloogia arvelt.

Paljud piirkonnad hakkavad neid akusid kasutama. 2030. aastaks 10–15% uutest elektriautodest võivad need olla. Üle 55% väikestest elektroonikaseadmetest juba kasutavad neid. Huvitatud on ka meditsiiniseadmed ja lennukid. Ettevõtted nagu Toyota, QuantumScape ja Robert Bosch kulutavad raha uuringutele ja akude tootmisele.

Kiire laadimine, pikem eluiga ja parem ohutus aitavad neil akudel populaarseks saada autodes, seadmetes ja elektrivõrkudes.

Teadusuuringud ja innovatsioon

Uuringud ja raha muudavad akusid aina paremaks. Suured ettevõtted ja valitsused kulutavad miljardeid, et parandada akude tööpõhimõtet ja vähendada nende kulusid. Honda plaanib kulutada... 39,84 miljardit dollarit kümne aasta jooksul ja ehitab Põhja-Ameerikasse uue tehase. USA valitsus annab aku-uuringute toetamiseks 3 miljardit dollarit. Prantsusmaal ehitab Blue Solutions tohutut tehast, mis suudab 2030. aastaks toota 25 GWh akusid.

Teadlased töötavad uute elektrolüütide, ohutumate akude ja kiirema laadimise kallal. Nad kasutavad tehisintellekti ja andmeid, et kiiremini töötada. Mida rohkem ettevõtteid liitub, seda kiiremini tekivad uued ideed. Täiustatud akude tulevik paistab väga hea.

Tahkispatareid on ohutumad, hoiavad rohkem energiat ja laevad kiiremini. Need kasutavad tahkeid elektrolüüte, mis lasevad ioonidel kiiresti liikuda. Mõned võivad saavutada ioonjuhtivuse kuni 1 x 10^-2 S/cm, nagu siin näidatud:

Aga need patareid maksavad palju ja neid on raske valmistada.

• Parem ohutus ja rohkem energiat aitavad paljusid ettevõtteid.

• Kõrged kulud ja kihtide vaheline takistus on endiselt probleemiks.

Teadlased töötavad jätkuvalt nende probleemide lahendamise nimel. Paljud inimesed arvavad, et neid akusid hakatakse uute avastuste korral kõikjal kasutama.

KKK

Mis teeb tahkis-liitiumakud tavalistest liitiumioonakudest ohutumaks?

Tahkis-liitiumakud on tahke elektrolüüdiga. See osa ei leki ega põle. Nende akudega seadmed läbivad rohkem ohutuskontrolle. Inimesed saavad neid autodes ja elektroonikas usaldada.

Millal muutuvad liitiumakud elektriautodes tavaliseks?

Enamik eksperte arvab, et tahkisakud on elektriautodes 2027. või 2028. aastaks. Mõned ettevõtted katsetavad neid juba uutes autodes. Enne kui kõik neid kasutama hakkavad, võib kuluda veel paar aastat.

Kas tahkis-liitiumakud saavad laadida kiiremini kui teised akud?

Jah! Tahkis-liitiumakud saavad testide ajal laadida 80% vähem kui 15 minutiga. See kiirlaadimine aitab elektriautodel ja -vidinatel vähem aega vooluvõrku ühendada.

Kas tahkis-liitiumakud on keskkonnale paremad?

Tahkispatareid kestavad kauem ja on valmistatud ohutumatest materjalidest. Ringlussevõtt paraneb, kuid vajab veel tööd.