Kaip veikia kietojo kūno baterija

Kietojo kūno baterijos veikia naudodamos kietąjį elektrolitą, o tai yra labai svarbu norint suprasti, kaip veikia kietojo kūno baterijos. Šis kietasis elektrolitas leidžia jonams efektyviai judėti tarp elektrodų, todėl baterija yra saugesnė ir gali kaupti daugiau energijos. Pavyzdžiui, sulfidų pagrindu pagaminti kietieji elektrolitai pasižymi puikiu joniniu laidumu, kurio vertės viršija 10^-2 S/cm. Šių baterijų energijos tankis paprastai prasideda nuo 400–500 Wh/kg ir gali viršyti 1000 Wh/kg.

Svarbiausios išvados

• Kietojo kūno baterijos turi kietą elektrolitą. Jis saugiai ir greitai perneša jonus. Jos yra saugesnės ir stipresnės nei įprastos baterijos.

• Šios baterijos talpina daugiau energijos. Jos įkraunamos greičiau ir veikia ilgiau. Tai padeda įrenginiams tapti mažesniems, lengvesniems ir patikimesniems.

• Kietojo kūno baterijos vis dar turi problemų. Jos brangios ir sunkiai pagaminamos. Mokslininkai stengiasi išspręsti šias problemas. Netrukus jas gali naudoti daugiau elektromobilių ir įrenginių.

Kas yra kietojo kūno baterijos?

Kietojo kūno baterijos turi kietą medžiagą, kuri judina jonus. Šių baterijų viduje nėra skysčio. Jose naudojami tokie dalykai kaip sulfido pagrindo elektrolitai arba sausai padengtos dalelės. Dėl to baterija yra saugesnė ir stabilesnė.

Galite paklausti, kuo šios baterijos skiriasi nuo tų, kurios yra jūsų telefone ar nešiojamajame kompiuteryje. Įprastose ličio jonų baterijose naudojamas skystas elektrolitas. Šis skystis gali ištekėti arba užsidegti, jei baterija sugenda. Kietojo kūno baterijos neturi šios problemos. Kieta medžiaga nepraleidžia vandens ir geriau atlaiko karštį.

Pateikiame paprastą lentelę, kurioje pateikiami pagrindiniai skirtumai:

Kietojo kūno baterijos gali kaupti daugiau energijos ir tarnauti ilgiau. Mokslininkai naudoja specialius įrankius ir bandymus, kad įrodytų, jog šios baterijos veikia geriau ir yra saugesnės. Kai naudojate daiktus su kietojo kūno baterijomis, gaunate daugiau energijos mažesnėje ir saugesnėje baterijoje.

Patarimas: tobulėjant technologijoms, kietojo kūno baterijas matysite daugiau daiktų, pavyzdžiui, telefonuose ir elektriniuose automobiliuose.

kaip veikia kietojo kūno baterija

Kietojo kūno baterijos skiriasi nuo įprastų baterijų. Jos turi tris pagrindines dalis: anodą, katodą ir kietąjį elektrolitą. Kietasis elektrolitas yra tarp anodo ir katodo. Jis leidžia jonams judėti, bet sustabdo elektronus. Tai padeda baterijai saugiai kaupti ir išskirti energiją.

Kai įkraunate bateriją, Ličio jonai palieka katodąJie keliauja per kietąjį elektrolitą iki anodo. Kai naudojate bateriją, jonai grįžta į katodą. Kietasis elektrolitas leidžia judėti tik jonams. Elektronai turi praeiti per laidą už baterijos ribų. Tai yra tai, kas maitina jūsų įrenginius.

Mokslininkai išbando skirtingus kietuosius elektrolitus, kad išsiaiškintų, kuris veikia geriausiai. Jie naudoja ličio turtingas medžiagas elektrolitui gaminti. Tai, kaip jie jį gamina, keičia jonų judėjimo greitį. Rentgeno spindulių tyrimai rodo, kad ši struktūra padeda jonams greitai judėti. Kai kurių kietųjų elektrolitų joninis laidumas yra didesnis nei 1 mS/cm. Tai reiškia, kad jonai juda labai gerai. Didelis laidumas padeda baterijoms greitai įkrauti ir tarnauti ilgiau.

Galbūt svarstote, kuo skiriasi kietojo kūno baterijos nuo ličio jonų baterijų. Didžiausias skirtumas yra elektrolitas. Ličio jonų baterijose naudojamas skystas elektrolitas. Šis skystis gali ištekėti arba užsidegti, jei yra pažeistas. Kietojo kūno baterijose naudojamas kietasis elektrolitas. Jis neišteka ir lengvai nedega. Dėl to jos yra daug saugesnės.

Pastaba: Kietieji elektrolitai neužsidega. Jie sumažina gaisro ir perkaitimo riziką. Dėl to kietojo kūno baterijos tinka elektromobiliams ir dideliems energijos kaupimo pajėgumams.

Čia yra lentelė, kurioje parodyti saugos skirtumai:

Kietojo kūno baterijos daugeliu atžvilgių veikia geriau. Kietasis elektrolitas suteikia didesnį energijos tankį. Mažesnėje baterijoje gaunate daugiau energijos. Baterija tarnauja ilgiau ir įkraunama greičiau. Bandymai rodo, kad geresnis jonų judėjimas suteikia iki 98,9 % visos talpos. Energijos vartojimo efektyvumas gali siekti 97,8 %. Tai reiškia, kad iššvaistoma mažiau energijos ir kiekvienas įkrovimas suteikia daugiau naudos.

Dabar žinote, kaip veikia kietojo kūno baterijos. Kietasis elektrolitas yra labai svarbus. Jis leidžia jonams judėti greitai ir saugiai. Jis taip pat daro bateriją saugesnę ir stipresnę nei senos baterijos. Sužinoję daugiau, suprasite, kodėl ši technologija svarbi ateičiai.

Kokie yra kietojo kūno baterijų tipai?

Yra daug kietojo kūno baterijų rūšių. Kiekviena rūšis gaminama iš skirtingų medžiagų ir yra skirtingo dizaino. Šie pokyčiai turi įtakos baterijos veikimui ir jos naudojimui.

Kietojo kūno baterijos skirstomos į dvi pagrindines grupes. Grupės priklauso nuo elektrolito tirštumo.

• Masinės kietojo kūno baterijos turi tirštus elektrolitus. Žmonės juos gamina presuodami arba kaitindami dalis.

• Plonasluoksnės kietojo kūno baterijos turi labai plonus sluoksnius. Šie sluoksniai gali būti vos kelių nanometrų storio. Šioms plonoms plėvelėms pagaminti reikalingos specialios mašinos.

Taip pat yra daug tipų, pagrįstų tuo, kas yra akumuliatoriaus viduje. Štai lentelė, kuri padės jums juos palyginti:

Patarimas: galite pasirinkti akumuliatoriaus tipą, atitinkantį jūsų poreikius. Plonasluoksnės baterijos tinka smulkiems daiktams, pavyzdžiui, išmaniosioms kortelėms. Didelės talpos baterijos geriau veikia elektromobiliuose.

Dabar žinote, kad yra daug kietojo kūno baterijų tipų. Kiekviena rūšis turi ypatingų privalumų, skirtų skirtingiems tikslams.

Kietojo kūno ir ličio jonų akumuliatoriai

Kietojo kūno baterijos ir ličio jonų baterijos nėra tas pats. Kietojo kūno baterijose naudojamas kietasis elektrolitas. Ličio jonų baterijose naudojamas skystasis. Dėl to kietojo kūno baterijos yra daug saugesnės. Jos mažiau linkusios užsidegti. Jos gali sukaupti daugiau energijos, būdamos mažesnio dydžio. Jos taip pat tarnauja ilgiau nei ličio jonų baterijos. Tačiau kietojo kūno baterijos šiuo metu kainuoja brangiau. Jas taip pat sunkiau pagaminti.

Štai lentelė, kuri padės jums palyginti:

Privalumai ir trūkumai

Kietojo kūno baterijos turi daug privalumų:

• Jos kaupia 2–2,5 karto daugiau energijos nei ličio jonų baterijos. Tai reiškia, kad baterijos gali būti lengvesnės ir mažesnės.

• Įkrovimas iki 6 kartų greitesnis. Jums nereikia tiek ilgai laukti.

• Gaisro tikimybė yra daug mažesnė, daugiau nei 20 kartų.

• Jie gerai veikia karštose ar šaltose vietose ir tarnauja ilgiau.

Tačiau yra ir keletas problemų:

• Jie daug kainuoja dėl naujų medžiagų ir specialių gamyklų.

• Dauguma kietojo kūno baterijų, kad geriausiai veiktų, turi būti karštesnės nei kambario temperatūra.

• Kai kurios bandomosios baterijos tarnauja trumpiau nei ličio geležies fosfato baterijos. Jos gali tarnauti daugiau nei 4000 ciklų.

Pastaba: ekspertai mano, kad iki 2028 m. kainos gali nukristi iki 140 USD už kWh. Tačiau gali prireikti dar penkerių metų, kol jų bus pagaminta daug.

Kokios yra kietojo kūno baterijų taikymo sritys?

Paraiškos ir iššūkiai

Kietojo kūno baterijos naudojamos elektriniuose automobiliuose, išmaniuosiuose telefonuose ir išmaniosiose kortelėse. Pavyzdžiui, „Nio ET7“ sedanas naudoja pusiau kietojo kūno bateriją. Vienu įkrovimu jis gali nuvažiuoti 650 mylių. „Samsung“ kietojo kūno baterija gali nuvažiuoti daugiau nei 600 mylių. Ją galima įkrauti iki 80 % per mažiau nei 10 minučių.

• Kietojo kūno baterijos yra saugesnės ir tarnauja ilgiau.

• Jiems reikia specialių medžiagų ir kruopštaus gamybos proceso.

• Sunku išlaikyti tvirtas dalis arti viena kitos.

• Gamyklos turi neleisti vandeniui patekti, ypač sulfido pagrindu pagamintų baterijų atveju.

Pamatysite daugiau kietojo kūno baterijų, joms pigstant. Gamyklos tobulina jų gamybą. Kol kas jos atrodo labai perspektyvios, tačiau vis dar yra keletas problemų, kurias reikia išspręsti.

Kiek saugios yra kietojo kūno baterijos?

Galbūt svarstote, ar kietojo kūno baterijos tikrai saugesnės už įprastas. Šiose baterijose naudojamas kietasis elektrolitas. Ši kietoji dalis nedega ir nepraleidžia vandens. Dėl šios priežasties jos daug rečiau užsidega nei baterijos su skysčiu. Naudodami kietojo kūno baterijas galite jaustis saugiau tokiuose daiktuose kaip automobiliai ar telefonai.

Tačiau saugumas – tai ne tik gaisrų stabdymas. Purdue universiteto mokslininkai tyrė, kas nutinka, kai šios baterijos sugenda. Jie nustatė, kad kai kurie kietieji elektrolitai, pavyzdžiui, Li10SnP2S12, vis tiek gali labai įkaisti. Taip atsitinka, jei anode prasideda tam tikros cheminės reakcijos. Dėl šių reakcijų baterija gali greitai įkaisti. Dėl karščio katodas taip pat gali išskirti deguonį. Tai gali sukelti daugiau reakcijų ir reiškinį, vadinamą „terminiu išsiveržimu“. Taigi, net jei kietosios dalys nedega, baterija vis tiek gali labai įkaisti, jei viduje yra problemų.

Mokslininkai rentgeno spindulių prietaisais tiria kietojo kūno baterijų vidų. Faradėjaus instituto SOLBAT projektas nustatė, kad kietajame elektrolite gali susidaryti įtrūkimai prieš kaupiantis ličiui. Šie įtrūkimai gali išplisti ir sukelti trumpuosius jungimus. Jei baterija naudojama per daug, gali susidaryti tuščios ertmės. Litis gali kauptis šiose ertmėse ir padaryti bateriją nesaugią.

Patarimas: Kietojo kūno baterijos yra saugesnės nei senos baterijos, tačiau vis tiek reikia būti atsargiems. Nauji dizainai ir geresnės medžiagos netrukus padarys jas dar saugesnes.

Kokie yra kietojo kūno baterijų praktinio pritaikymo iššūkiai?

Kietojo kūno baterijos atrodo puikiai, tačiau jos turi problemų. Mokslininkams ir inžinieriams sunku jas priversti veikti realiame gyvenime. Naudoti šias baterijas automobiliuose ar telefonuose nėra lengva.

Čia yra lentelė, kurioje išvardytos pagrindinės problemos:

Kietojo kūno baterijų gamyba yra sudėtinga. Sluoksniai turi būti lygūs ir be įtrūkimų. Jei baterija padidėja ar sumažėja, ji gali sulūžti viduje. Šaltu oru jonai juda dar lėčiau. Gamykloms reikia specialių mašinų šioms baterijoms gaminti. Dėl to jos kainuoja brangiau.

Patarimas: Mokslininkai stengiasi išspręsti šias problemas. Kai jie ras geresnių būdų, aplink save pamatysite daugiau kietojo kūno baterijų.

Kada kietojo kūno baterijos pasirodys elektros rinkoje?

Galbūt svarstote, kada pamatysite kietojo kūno baterijos elektromobiliuose ir kituose įrenginiuose. Rinkos analizės ataskaitos rodo, kad kietojo kūno baterijų rinka sparčiai augs. 2024 m. rinkos dydis sieks apie 128,5 mln. USD. Ekspertai tikisi, kad iki 2032 m. ji pasieks 2 001,7 mln. USD. Tai reiškia, kad rinka gali augti daugiau nei 40 % per metus. Galima tikėtis daugiau kietojo kūno baterijų 2025–2032 m.

Šiam augimui padeda daug dalykų. Elektromobilių pardavimai nuolat auga. Vyriausybės siūlo paskatas naudoti švaresnę energiją. Lengviau rasti įkrovimo stoteles. Įmonės taip pat skiria daugiau pinigų moksliniams tyrimams ir plėtrai. Dideli automobilių gamintojai ir akumuliatorių kompanijos bendradarbiauja statydamos naujas gamyklas. Šie žingsniai padeda greičiau pateikti kietojo kūno baterijas rinkai.

Tikėtina, kad pirmuosius kietojo kūno akumuliatorius pamatysite aukščiausios klasės elektriniuose automobiliuose. JAV, Europos, Kinijos ir Japonijos įmonės pirmauja. Po prabangių automobilių šias baterijas galite pamatyti įprastuose automobiliuose, autobusuose ir net namų energijos kaupimo sistemose.

Pastaba: Kietojo kūno baterijas galite iš karto pamatyti ne kiekviename automobilyje. Iš pradžių jos kainuos brangiau ir bus specialiuose modeliuose. Gamykloms gaminant daugiau, kainos kris ir jas pamatysite daugiau vietų.

Štai trumpa apžvalga, ko tikėtis:

Kietojo kūno baterijos netrukus pasirodys rinkoje. Per ateinančius kelerius metus pamatysite, kaip jos pakeis jūsų elektromobilių ir kitų įrenginių naudojimo būdą.

Sužinojote, kaip veikia kietojo kūno baterijos. Šios baterijos naudoja kietąjį elektrolitą. Tai padeda jonams judėti saugiai ir greitai. Štai keletas pagrindinių jų privalumų:

Kietojo kūno baterijos gali padaryti elektromobilius ir prietaisus geresnius visiems žmonėms.

DUK

Kuo kietojo kūno baterijos yra saugesnės už įprastas baterijas?

Kietojo kūno baterijos yra saugesnės, nes kietasis elektrolitas negali ištekėti. Jis taip pat neužsidega. Tai reiškia, kad jūsų įrenginiai turi mažesnę avarijų tikimybę.

Ar galima naudoti kietojo kūno baterijas šaltu oru?

Šias baterijas galite naudoti šaltu oru, tačiau jos neveikia taip gerai. Kai kurie tipai geriau atlaiko šaltį nei kiti. Visada atkreipkite dėmesį į baterijos saugų temperatūros diapazoną.

Kiek laiko tarnauja kietojo kūno baterijos?

Kietojo kūno baterijos paprastai tarnauja ilgiau nei ličio jonų baterijos. Daugelį jų galima įkrauti iki 2000 kartų, kol jos pradeda prarasti energiją.