Что такое полупроводниковая батарея и решат ли они наши проблемы с временем автономной работы?

Мощность мобильных технологий растет в геометрической прогрессии, но технология батарей не идет в ногу. Мы достигаем физических пределов того, что могут делать обычные литий-ионные и литий-полимерные конструкции. Решением может быть то, что называется твердотельной батареей.

Что такое твердотельная батарея?

В обычной конструкции батареи, чаще всего, используются литий-ионные два твердых металлических электрода с жидкой литиевой солью, действующей в качестве электролита. Ионные частицы перемещаются от одного электрода (катода) к другому (аноду), когда батарея заряжается, и наоборот, когда она разряжается. Жидкий электролит соли лития - среда, которая позволяет этому движению. Если вы когда-либо видели, как батарея разъедает или прокалывается, «кислотой батареи», которая выделяется (или иногда взрывается), является жидкий электролит..

В твердотельной батарее положительный и отрицательный электроды и электролит между ними представляют собой твердые кусочки металла, сплава или какого-либо другого синтетического материала. Термин «твердотельный» может напоминать вам о дисках SSD, и это не случайно. Твердотельные накопители используют флэш-память, которая не перемещается, в отличие от стандартного жесткого диска, который хранит данные на вращающемся магнитном диске, питаемом от крошечного двигателя.

Хотя идея твердотельных аккумуляторов существует уже несколько десятилетий, успехи в их разработке только начинаются, в настоящее время стимулируются инвестициями со стороны компаний, занимающихся электроникой, автомобилестроением и общепромышленными поставщиками..

Что лучше о твердотельных батареях?

Твердотельные аккумуляторы обещают несколько явных преимуществ по сравнению со своими двоюродными братьями, наполненными жидкостью: лучшее время автономной работы, более быстрое время зарядки и более безопасное использование.

Твердотельные батареи сжимают анод, катод и электролит в три плоских слоя вместо того, чтобы подвешивать электроды в жидком электролите. Это означает, что вы можете сделать их меньше или, по крайней мере, более плоскими, сохраняя при этом столько же энергии, сколько большая батарея на жидкой основе. Таким образом, если вы замените литий-ионную или литий-полимерную батарею в своем телефоне или ноутбуке на твердотельную батарею того же размера, заряд батареи будет намного больше. Кроме того, вы можете сделать устройство, которое держит тот же заряд намного меньше или тоньше.

Твердотельные батареи также более безопасны, так как нет токсичных, легковоспламеняющихся жидкостей для разлива, и они не выделяют столько тепла, сколько обычные аккумуляторные батареи. При применении к батареям, которые питают ток электроники или даже электромобилей, они могут заряжаться намного быстрее, ионы тоже могут перемещаться гораздо быстрее от катода к аноду.

Согласно последним исследованиям, твердотельная батарея может превосходить обычные перезаряжаемые батареи на 500% или более по емкости и заряжаться в десятой части времени.

Каковы недостатки?

Поскольку твердотельные батареи представляют собой новую технологию, их производство невероятно дорого. На самом деле настолько дорогой, что на момент написания статьи они не были установлены ни в одной крупной бытовой электронике. В 2012 году аналитики из отдела анализа программного обеспечения и обработки передовых материалов Университета Флориды подсчитали, что стоимость изготовления обычной твердотельной батареи размером с сотовый телефон составит около 15 000 долларов. Один достаточно большой для питания электромобиля обойдется в 100 000 долларов.

Создание твердотельной батареи, достаточно большой для питания вашего телефона, стоит сегодня тысячи долларов.

Частично это связано с тем, что экономия от масштаба отсутствует, сотни миллионов перезаряжаемых аккумуляторов производятся каждый год прямо сейчас, поэтому производственные затраты на материалы и оборудование распределены по огромным линиям поставок. Есть только несколько компаний и университетов, занимающихся исследованием твердотельных батарей, поэтому стоимость производства каждой из них является астрономической.

Еще одна проблема - материалы. Хотя свойства различных металлов, сплавов и солей металлов, используемых для обычных аккумуляторных батарей, хорошо известны, в настоящее время мы не знаем лучшего химического и атомного состава твердого электролита между металлическими анодами и катодами. Текущие исследования сужают это, но нам нужно собрать более надежные данные, прежде чем мы сможем собирать или синтезировать материалы и инвестировать в производственные процессы.

Когда я смогу использовать твердотельный аккумулятор?

Как и во всех новых технологиях, попытка выяснить, когда вы получите в свои руки это в лучшем случае догадки.

Обнадеживает то, что многие огромные корпорации вкладывают средства в исследования, необходимые для вывода твердотельных батарей на потребительский рынок, но, опасаясь крупного прорыва в ближайшем будущем, трудно сказать, будет ли большой скачок вперед. По крайней мере, одна автомобильная компания заявляет, что будет готова поставить ее в автомобиль к 2023 году, но не догадывается, сколько может стоить этот автомобиль. Пять лет кажутся чрезмерно оптимистичными; десять лет кажутся более вероятными. Может пройти двадцать или более лет, прежде чем материалы будут рассчитаны и разработаны производственные процессы.

Но, как мы уже говорили в начале статьи, обычная технология батарей начинает падать в стену. И нет ничего лучше, чем потенциальные продажи, стимулирующие исследования и разработки. По крайней мере, немного (очень, очень немного) возможно, что вы скоро сможете использовать гаджет или управлять автомобилем, работающим на твердотельной батарее..

Изображение предоставлено: Сучарас Вонгпет / Shutterstock, Даниэль Красон / Shutterstock