Hvernig virkar rafhlaða með fasta stöðu

Föstu rafgeymar virka með því að nota fast rafvökva, sem er lykillinn að því að skilja hvernig fast rafgeymar virka. Þessi fasti rafvökvi gerir jónum kleift að ferðast skilvirkt á milli rafskautanna, sem gerir rafhlöðuna öruggari og gerir henni kleift að geyma meiri orku. Til dæmis hafa súlfíð-byggð föst rafvökvi framúrskarandi jónaleiðni, með gildum yfir 10^-2 S/cm. Orkuþéttleiki þessara rafhlöðu byrjar venjulega á 400–500 Wh/kg og getur farið yfir 1000 Wh/kg.

Lykilatriði

• Rafhlöður í föstu formi eru með fasta rafvökva. Þetta flytur jónir á öruggan og hraðan hátt. Þær eru öruggari og sterkari en venjulegar rafhlöður.

• Þessar rafhlöður geyma meiri orku. Þær hlaðast hraðar og endast lengur. Þetta hjálpar tækjum að verða minni, léttari og áreiðanlegri.

• Rafhlöður með föstu efnasambandi eiga enn við vandamál að stríða. Þær eru dýrar og erfiðar í framleiðslu. Vísindamenn eru að vinna að því að leysa þessi vandamál. Bráðlega gætu fleiri rafbílar og tæki notað þær.

Hvað eru rafgeymar í föstu formi?

Rafhlöður í föstu formi eru úr föstu efni sem færir jónir. Það er enginn vökvi inni í þessum rafhlöðum. Þær nota efni eins og súlfíð-byggð rafvökva eða þurrhúðaðar agnir. Þetta gerir rafhlöðuna öruggari og stöðugri.

Þú gætir spurt hvernig þessar rafhlöður eru ólíkar þeim sem eru í símanum þínum eða fartölvunni. Venjulegar litíumjónarafhlöður nota fljótandi rafvökva. Þessi vökvi getur lekið eða kviknað í ef rafhlaðan bilar. Rafhlöður með föstu efnasamsetningu eiga ekki við þetta vandamál að stríða. Fasta efnið lekur ekki og þolir hita betur.

Hér er einföld tafla til að sýna helstu muninn:

Rafhlöður með föstu efnasambandi geta geymt meiri orku og endist lengur. Vísindamenn nota sérstök verkfæri og prófanir til að sanna að þessar rafhlöður virka betur og eru öruggari. Þegar þú notar hluti með föstu efnasambandi færðu meiri orku í minni og öruggari rafhlöðu.

Ráð: Þegar tæknin batnar muntu sjá rafgeyma í fleiri hlutum, eins og símum og rafmagnsbílum.

hvernig virkar rafhlaða með föstu formi

Rafhlöður með föstu ástandi eru ólíkar venjulegum rafhlöðum. Þær eru í þremur meginhlutum: anóðu, katóðu og föstum rafvökva. Fasti rafvökvinn er staðsettur á milli anóðu og katóðu. Hann leyfir jónum að hreyfast en stöðvar rafeindir. Þetta hjálpar rafhlöðunni að geyma og gefa frá sér orku á öruggan hátt.

Þegar þú hleður rafhlöðuna, litíumjónir fara úr katóðuÞær ferðast í gegnum fasta rafvökvann að anóðunni. Þegar þú notar rafhlöðuna fara jónirnar aftur að katóðunni. Fasta rafvökvinn leyfir aðeins jónum að hreyfast. Rafeindir þurfa að fara í gegnum vír utan rafhlöðunnar. Þetta er það sem knýr tækin þín.

Vísindamenn prófa mismunandi fastar rafvökvar til að sjá hver virkar best. Þeir nota litíumrík efni til að búa til rafvökvann. Hvernig þeir búa hann til breytir því hversu hratt jónir geta hreyfst. Röntgenprófanir sýna að uppbyggingin hjálpar jónum að hreyfast hratt. Sumar fastar rafvökvar hafa jónaleiðni yfir 1 mS/cm. Þetta þýðir að jónir hreyfast mjög vel. Mikil leiðni hjálpar rafhlöðum að hlaðast hratt og endast lengur.

Þú gætir velt því fyrir þér hvernig fastrafhlöður bera sig saman við litíumjónarafhlöður. Mikilvægasti munurinn er rafvökvinn. Litíumjónarafhlöður nota fljótandi rafvökva. Þessi vökvi getur lekið eða kviknað í ef hann skemmist. Fastrafhlöður nota fasta rafvökva. Hann lekur ekki eða brennur auðveldlega. Þetta gerir þær mun öruggari.

Athugið: Fast rafvökvi kviknar ekki í. Hann minnkar hættuna á eldsvoða og ofhitnun. Þetta gerir fastrafhlöður góðar fyrir rafmagnsbíla og stórar orkugeymslur.

Hér er tafla sem sýnir muninn á öryggi:

Rafhlöður með föstu formi virka betur á margan hátt. Rafvökvinn í föstu formi gefur meiri orkuþéttleika. Þú færð meiri orku í minni rafhlöðu. Rafhlaðan endist lengur og hleðst hraðar. Prófanir sýna að betri jónahreyfing gefur allt að 98,9% af fullri afköstum. Orkunýtingin getur náð 97,8%. Þetta þýðir að minni orka fer til spillis og þú færð meiri notkun úr hverri hleðslu.

Nú veistu hvernig rafgeymar í föstu formi virka. Rafvökvinn í föstu formi er mjög mikilvægur. Hann gerir jónum kleift að ferðast hratt og örugglega. Hann gerir rafhlöðuna einnig öruggari og sterkari en gamlar rafhlöður. Þegar þú lærir meira munt þú sjá hvers vegna þessi tækni skiptir máli fyrir framtíðina.

Hvaða gerðir eru af rafgeymum í föstu formi?

Það eru til margar gerðir af rafhlaðum með föstu efnasambandi. Hver tegund notar mismunandi efni og hönnun. Þessar breytingar hafa áhrif á hvernig rafhlaðan virkar og hvar hún er notuð.

Rafhlöður úr föstu formi falla í tvo meginflokka. Flokkarnir fara eftir því hversu þykk rafvökvinn er.

• Rafhlöður í lausu hafa þykk rafvökva. Fólk framleiðir þá með því að þrýsta eða hita hlutana saman.

• Þunnfilmu rafgeymar með föstu efnasambandi hafa mjög þunn lög. Þessi lög geta verið aðeins nokkrir nanómetrar á þykkt. Sérstakar vélar eru nauðsynlegar til að búa til þessar þunnu filmur.

Það eru líka margar gerðir eftir því hvað er inni í rafhlöðunni. Hér er tafla til að hjálpa þér að bera þær saman:

Ráð: Þú getur valið rafhlöðutegund sem hentar þínum þörfum. Þunnfilmu rafhlöður eru góðar fyrir smáhluti eins og snjallkort. Magnrafhlöður virka betur í rafmagnsbílum.

Nú veistu að það eru til margar gerðir af rafgeymum í föstu formi. Hver tegund hefur sérstaka kosti fyrir mismunandi notkun.

Fast-ástands vs. litíum-jón

Föstu rafhlöður og litíumjónarafhlöður eru ekki það sama. Föstu rafhlöður nota fasta rafvökva. Litíumjónarafhlöður nota fljótandi rafhlöðu. Þetta gerir föst rafhlöður mun öruggari. Þær eru ólíklegri til að kvikna í. Þær geta geymt meiri orku í minni stærð. Þær endast einnig lengur en litíumjónarafhlöður. En föst rafhlöður kosta meira núna. Þær eru líka erfiðari í framleiðslu.

Hér er tafla til að hjálpa þér að bera saman:

Kostir og gallar

Rafhlöður með föstu ástandi hafa marga kosti:

• Þær geyma 2 til 2,5 sinnum meiri orku en litíum-jón rafhlöður. Þetta þýðir að rafhlöður geta verið léttari og minni.

• Hleðslan er allt að 6 sinnum hraðari. Þú þarft ekki að bíða eins lengi.

• Líkur á eldsvoða eru mun minni, meira en 20 sinnum minni.

• Þau virka vel á heitum eða köldum stöðum og endast lengur.

En það eru líka nokkur vandamál:

• Þau eru dýr vegna nýrra efna og sérstakra verksmiðja.

• Flestar rafgeymar í föstu formi þurfa að vera heitari en stofuhita til að virka sem best.

• Sumar tilraunarafhlöður endast ekki eins lengi og litíum-járnfosfat rafhlöður. Þær geta enst í meira en 4.000 lotur.

Athugið: Sérfræðingar telja að verð gæti lækkað í 140 dollara á kWh fyrir árið 2028. En það gæti tekið fimm ár í viðbót áður en margar verða framleiddar.

Hver eru notkunarmöguleikar rafgeyma í föstu formi?

Umsóknir og áskoranir

Rafhlöður með föstu efnasambandi eru notaðar í rafmagnsbílum, snjallsímum og snjallkortum. Til dæmis notar Nio ET7 fólksbíllinn hálf-föst efnasambandsrafhlöðu. Hún getur farið 650 mílur á einni hleðslu. Föst efnasambandsrafhlöða frá Samsung getur farið yfir 600 mílur. Hún getur hlaðið sig upp í 80% á innan við 10 mínútum.

• Rafhlöður með föstu efnasambandi eru öruggari og endast lengur.

• Þeir þurfa sérstök efni og vandaða smíði.

• Það er erfitt að halda föstu hlutunum þétt saman.

• Verksmiðjur verða að halda vatni frá, sérstaklega rafhlöðum sem innihalda súlfíð.

Þú munt sjá fleiri rafgeyma í fastaefni eftir því sem þær verða ódýrari. Verksmiðjur eru að verða betri í að framleiða þær. Í bili líta þær mjög efnilegar út en eiga enn eftir að leysa nokkur vandamál.

Hversu öruggar eru rafgeymar í föstu formi?

Þú gætir velt því fyrir þér hvort rafgeymar með föstu efnasambandi séu í raun öruggari en venjulegar rafhlöður. Þessar rafhlöður nota fast rafvökva. Þessi fasti hluti brennur ekki eða lekur. Þess vegna eru þær mun ólíklegri til að kvikna í en rafhlöður með vökva inni í sér. Þú getur fundið fyrir öryggi með því að nota rafgeyma með föstu efnasambandi í hlutum eins og bílum eða símum.

En öryggi snýst ekki bara um að slökkva á eldsvoða. Vísindamenn við Purdue-háskóla rannsökuðu hvað gerist þegar þessar rafhlöður bila. Þeir komust að því að sumar fastar rafvökvar, eins og Li10SnP2S12, geta samt hitnað mjög mikið. Þetta gerist ef ákveðin efnahvörf hefjast við anóðuna. Þessi hvörf geta valdið því að rafhlaðan hitnar hratt. Hitinn getur einnig valdið því að katóðan losar frá sér súrefni. Þetta getur valdið fleiri hvörfum og einhverju sem kallast „hitaupphlaup“. Þannig að jafnvel þó að föstu hlutar brenni ekki, getur rafhlaðan samt hitnað mjög mikið ef vandamál koma upp inni í henni.

Vísindamenn nota röntgentæki til að skoða innri rafgeyma í föstu formi. SOLBAT verkefni Faraday-stofnunarinnar leiddi í ljós að sprungur geta myndast í föstu rafvökvanum áður en litíum safnast fyrir. Þessar sprungur geta breiðst út og valdið skammhlaupi. Ef rafhlaðan er notuð of mikið geta myndast tóm rými. Litíum getur vaxið inn í þessi rými og gert rafhlöðuna óörugga.

Ráð: Rafhlöður með föstu efnasambandi eru öruggari en gamlar rafhlöður, en þú þarft samt að vera varkár. Ný hönnun og betri efni munu gera þær enn öruggari innan skamms.

Hverjar eru áskoranirnar við hagnýta notkun rafgeyma í föstu formi?

Rafhlöður með föstu efnasambandi virðast frábærar en þær hafa vandamál. Vísindamenn og verkfræðingar eiga erfitt með að láta þær virka í raunveruleikanum. Það er ekki auðvelt að nota þessar rafhlöður í bílum eða símum.

Hér er tafla sem sýnir helstu vandamálin:

Það er erfitt að búa til rafgeyma í föstu formi. Lögin verða að vera slétt og sprungulaus. Ef rafhlaðan stækkar eða minnkar getur hún brotnað að innan. Kalt veður veldur því að jónir hreyfast enn hægar. Verksmiðjur þurfa sérstakar vélar til að smíða þessar rafhlöður. Þetta gerir þær dýrari.

Ráð: Vísindamenn eru að vinna að því að leysa þessi vandamál. Þegar þeir finna betri leiðir muntu sjá fleiri rafgeyma af gerðinni „solid-state“ í kringum þig.

Hvenær koma rafgeymar í rafmagni (e. solid-state reactors) á markaðinn?

Þú gætir velt því fyrir þér hvenær þú munt sjá rafgeymar í föstu formi í rafmagnsbílum og öðrum tækjum. Markaðsgreiningar sýna að markaðurinn fyrir rafgeyma með fasta efnasamsetningu mun vaxa hratt. Árið 2024 er markaðsstærðin um 128,5 milljónir Bandaríkjadala. Sérfræðingar búast við að hann nái 2.001,7 milljónum Bandaríkjadala árið 2032. Þetta þýðir að markaðurinn gæti vaxið um meira en 40% á hverju ári. Búast má við að sjá fleiri rafgeyma með fasta efnasamsetningu á milli áranna 2025 og 2032.

Margt stuðlar að þessum vexti. Sala rafbíla heldur áfram að aukast. Stjórnvöld bjóða upp á hvata til að nota hreinni orku. Hleðslustöðvar eru auðveldari að finna. Fyrirtæki eyða einnig meiri peningum í rannsóknir og þróun. Stórir bílaframleiðendur og rafhlöðufyrirtæki vinna saman að því að byggja nýjar verksmiðjur. Þessi skref hjálpa til við að koma rafgeymum með fast efni hraðar á markaðinn.

Þú munt líklega sjá fyrstu rafgeymana í lúxusbílum. Fyrirtæki í Bandaríkjunum, Evrópu, Kína og Japan eru fremst í flokki. Eftir lúxusbíla gætirðu séð þessar rafhlöður í venjulegum bílum, strætisvögnum og jafnvel í orkugeymslum fyrir heimili.

Athugið: Þú munt hugsanlega ekki sjá rafgeyma í öllum bílum strax. Í fyrstu munu þær kosta meira og koma í sérstökum gerðum. Þegar verksmiðjur framleiða fleiri rafhlöður munu verð lækka og þú munt sjá þær á fleiri stöðum.

Hér er fljótlegt yfirlit yfir hvað má búast við:

Rafhlöður með föstu efnasambandi eru væntanlegar bráðlega. Þú munt sjá þær breyta því hvernig þú notar rafmagnsbíla og önnur tæki á næstu árum.

Þú hefur lært hvernig rafhlaða með föstu formi virkar. Þessar rafhlöður nota fast rafvökva. Þetta hjálpar jónum að ferðast örugglega og hratt. Hér eru nokkrir helstu kostir við þær:

Rafhlöður í föstu formi gætu gert rafbíla og tæki betri fyrir alla.

Algengar spurningar

Hvað gerir rafgeyma í föstu formi öruggari en venjulegar rafhlöður?

Rafhlöður með föstu ástandi eru öruggari vegna þess að rafvökvinn í föstu formi getur ekki lekið. Hann kviknar heldur ekki í. Þetta þýðir að minni hætta er á slysum í tækjunum þínum.

Er hægt að nota rafgeyma í köldu veðri?

Þú getur notað þessar rafhlöður í kulda, en þær virka ekki eins vel. Sumar gerðir þola kulda betur en aðrar. Athugaðu alltaf öruggt hitastig rafhlöðunnar.

Hversu lengi endast rafgeymar í föstu formi?

Rafhlöður með föstu efnasambandi endast yfirleitt lengur en litíumjónarafhlöður. Margar þeirra er hægt að hlaða allt að 2.000 sinnum áður en þær byrja að missa orku.