Как работает литий ионный аккумулятор. Твердотельные батареи: будущее аккумуляторных технологий — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое твердотельные батареи. Как они отличаются от обычных литий-ионных аккумуляторов. Каковы перспективы применения твердотельных батарей в электромобилях и других устройствах. Какие преимущества они могут дать по сравнению с традиционными аккумуляторами.

Содержание

Что представляют собой твердотельные батареи?

Твердотельные батареи — это новый тип аккумуляторов, в которых жидкий или гелевый электролит заменен твердым веществом. Это ключевое отличие от традиционных литий-ионных батарей, использующих жидкий электролит.

Основные компоненты твердотельной батареи:

Катод — положительный электрод
Анод — отрицательный электрод
Твердый электролит между ними

Принцип работы схож с обычными литий-ионными аккумуляторами — ионы лития перемещаются между катодом и анодом через электролит, создавая электрический ток. Но твердый электролит обеспечивает ряд преимуществ.

Чем твердотельные батареи отличаются от обычных литий-ионных?

Основные отличия твердотельных батарей от традиционных литий-ионных аккумуляторов:

Твердый электролит вместо жидкого или гелевого
Потенциально более высокая плотность энергии
Повышенная безопасность из-за отсутствия горючего жидкого электролита
Возможность использования литиевого металла в качестве анода
Более быстрая зарядка
Лучшая работа при низких температурах

Твердый электролит позволяет создать более компактную и безопасную конструкцию батареи с улучшенными характеристиками.

Какие материалы используются в твердотельных батареях?

В качестве твердых электролитов могут применяться различные материалы:

Керамика (оксиды, сульфиды)
Полимеры
Стекла

Наиболее перспективными считаются керамические электролиты на основе оксидов и сульфидов лития. Они обеспечивают хорошую ионную проводимость и стабильность.

Для электродов используются материалы, схожие с обычными литий-ионными аккумуляторами. Но есть возможность применения литиевого металла в качестве анода, что увеличивает емкость.

Каковы преимущества твердотельных батарей?

Основные потенциальные преимущества твердотельных батарей:

Более высокая плотность энергии — до 2-3 раз выше, чем у обычных литий-ионных аккумуляторов
Повышенная безопасность — отсутствие риска возгорания из-за утечки жидкого электролита
Более быстрая зарядка — возможность полной зарядки за 10-15 минут
Долговечность — потенциально больший срок службы
Компактность — возможность создания более тонких батарей
Улучшенная работа при низких температурах

Эти преимущества делают твердотельные батареи очень привлекательными для применения в электромобилях и портативной электронике.

Где могут применяться твердотельные батареи?

Основные перспективные области применения твердотельных аккумуляторов:

Электромобили — увеличение запаса хода, быстрая зарядка
Смартфоны и ноутбуки — более длительное время работы
Носимая электроника — тонкие и гибкие батареи
Авиация — легкие и безопасные источники питания
Накопители энергии для возобновляемых источников

Наибольшие надежды связаны с применением в электромобилях, где твердотельные батареи могут обеспечить прорыв в характеристиках.

Каковы перспективы массового производства твердотельных батарей?

Несмотря на очевидные преимущества, твердотельные батареи пока не вышли на массовый рынок. Основные проблемы, требующие решения:

Сложность и высокая стоимость производства
Недостаточная стабильность при циклировании
Проблемы с границей раздела электрод-электролит
Необходимость масштабирования технологии

По прогнозам экспертов, массовое производство твердотельных батарей для электромобилей может начаться в период 2025-2030 годов. Ведущие автопроизводители и технологические компании активно инвестируют в эту технологию.

Какие компании разрабатывают твердотельные батареи?

Разработкой твердотельных аккумуляторов занимаются многие компании и исследовательские центры:

Toyota — планирует выпустить электромобиль с твердотельной батареей к 2025 году
Volkswagen — инвестирует в стартап QuantumScape
BMW — сотрудничает с компанией Solid Power
Samsung — разрабатывает собственную технологию
Panasonic — работает над твердотельными батареями для Tesla

Также исследования ведут LG, Hitachi, Mitsubishi и другие крупные компании. Идет активная конкуренция за лидерство в этой перспективной области.

Заключение: перспективы твердотельных батарей

Твердотельные аккумуляторы имеют огромный потенциал для революционного улучшения характеристик батарей. Их внедрение может дать значительный толчок развитию электромобилей и портативной электроники. Однако для массового применения еще предстоит решить ряд технологических проблем.

Основные преимущества твердотельных батарей:

Высокая плотность энергии
Безопасность
Быстрая зарядка
Долговечность

При успешном развитии технологии твердотельные батареи могут стать новым стандартом для аккумуляторов в ближайшие 5-10 лет, обеспечив качественный скачок в характеристиках электронных устройств и электротранспорта.

Литий-ионные аккумуляторы — долговечны ли? На сколько циклов зарядки? Стоит ли отказываться от шнура? Bosch, DeWalt, Metabo, Makita, Milwaukee и Ridgid готовы ответить на все ваши вопросы.

Аккумуляторные инструменты прошли долгий путь за последнее десятилетие. Переход на литий-ионные аккумуляторы в качестве накопителя энергии вместо старых никель-кадмиевых батарей позволяет повысить производительность и время автономной работы. Это происходит так повсеместно, что «отказ от шнура» стал вполне себе жизнеспособным вариантом для многих производителей профессионального инструмента. Пользователи сегодня могут избавиться от необходимости таскать удлинители и генераторы на место работы.

Из-за дороговизны литий-ионных аккумуляторов переход к удобству их использования может оказаться затратным. Естественно, прежде чем перейти к линейке аккумуляторных инструментов, профессионал рассмотрит, насколько хороша идея купить беспроводной инструмент, как долго батарея может работать? Сколько циклов зарядки можно ожидать от аккумулятора? Чем отличаются литий-ионные аккумуляторы? Короче говоря, на сколько реально хватает литий-ионных аккумуляторов?

Мы поговорили с менеджерами по продукции и руководителями компаний Bosch, DeWalt, Metabo HPT (ранее Hitachi), Makita, Milwaukee и Ridgid, чтобы получить ответы напрямую от производителей. И хотя ответы их +/- различаются, по основным моментам они сошлись.

Начнем с хранения аккумуляторов. Как долго они работают при их использовании — это одно, но как насчет того времени, что они лежат на полках? На срок службы аккумуляторной батареи на полке влияет ряд внешних факторов. В каком состоянии был заряд, когда он хранился? Будет ли пользователь хранить батарею при более высоких или более низких температурах? Будет ли он храниться в инструменте, на полке или в зарядном устройстве? Кто произвел внутреннюю электронику и насколько хорошо она контролирует ток внутри блока?

Конечно, если аккумулятор разрядится ниже определенного уровня, он вообще перестанет заряжаться. Это сигнализирует об окончании его срока службы, хотя некоторые разряженные аккумуляторы можно «воскресить». Время, необходимое для этого, зависит, опять же, от производственных процессов и компонентов, а также от этих внешних факторов.

При всем вышесказанном, все равно существует одно мнение относительно среднего срока годности аккумулятора.

Если вы позаботитесь о правильном хранении батарей, вы можете рассчитывать, что они прослужат от 3 до 6 лет на полке. Какой же самый главный вывод? Держите батареи вдали от источников тепла. Сильная жара — самый главный враг срока службы литий-ионных аккумуляторов.

На сколько циклов зарядки рассчитывать?

Опять же, ответ на этот вопрос во многом зависит от ряда переменных. Важную роль играют конфигурация и емкость аккумулятора, а также температура окружающей среды при хранении.

Поведение пользователя тоже влияет на то, сколько циклов зарядки может пройти аккумулятор, прежде чем он разрядится. Важно — действительно не стоит использовать аккумулятор вместо молотка. Травма от удара тупым предметом отрицательно скажется на сроке службы литий-ионных аккумуляторов.

Итак, с точки зрения циклов зарядки, на сколько хватит литий-ионных аккумуляторов? Несмотря на вышеупомянутые переменные, большинство наших производителей заявляют, что пользователи должны рассчитывать на более 1000 циклов зарядки.

Что такое цикл зарядки?

Отчасти это зависит от того, как сам производитель определяет цикл зарядки. Как правило, один цикл зарядки означает разрядку аккумулятора и его повторную зарядку. Однако большинство аккумуляторов рассчитывают один полный цикл зарядки каждый раз, когда вы кладете аккумулятор на зарядное устройство. Это происходит независимо от того, на сколько действительно нужно зарядить аккумулятор.

Макита говорит, что они используют «умную» систему, которая учитывает это. Их зарядные устройства и аккумуляторы используют систему связи, которая распознает текущий уровень заряда и температуру аккумулятора. Затем зарядное устройство регулирует оптимальный ток, напряжение и температуру для зарядки аккумулятора. Этот процесс продлевает срок службы батареи. Это также увеличивает количество циклов зарядки, которые может выдержать аккумулятор. Это лишь один из примеров того, почему стоит придерживаться оригинальных аккумуляторов и зарядных устройств производителя.

Что касается ожидаемого количества циклов зарядки, большинство производителей попадают в лагерь от 1000 до 2000 циклов зарядки. Это ежедневная зарядка аккумулятора в течение от 3 до 6 лет. Мы бы рекомендовали жить в рамках ожиданий, склоняясь к более короткой стороне этого уравнения.

Каков срок службы литий-ионных аккумуляторов по сравнению с никель-кадмиевыми?

Мы знаем, что никель-кадмиевые батареи давно вышли из употребления, уже более десяти лет. Тем не менее, это служит своего рода отправной точкой в мышлении некоторых людей. Поскольку литий-ионный аккумулятор имеет более высокую плотность энергии, сопоставимый никель-кадмиевый аккумулятор будет больше и тяжелее. С функциональной точки зрения литий-ионный аккумулятор также не испытывает падений напряжения при истощении. Так что насчет срока годности?

Обе разновидности аккумуляторов при хранении саморазряжаются. Однако NiCad саморазряжается со скоростью около 1–3% в день. Из-за этого неиспользованная никель-кадмиевая батарея нередко требовала подзарядки каждые пару недель или около того, даже если вы никогда ее не использовали!

Литий-ионные аккумуляторы саморазряжаются намного медленнее. Фактически, почти незаметно. Скорость, с которой происходит этот разряд, в значительной степени зависит от качества конструкции упаковки. В литий-ионных батареях задействовано гораздо больше технологий, чем в никель-кадмиевых. На самом деле сравнение кажется немного несправедливым и устаревшим. Многие производители используют защиту от перегрузки и перегрева для своих литий-ионных аккумуляторов. Все эти технологии защищают аккумулятор. Они также продлевают ожидаемый жизненный цикл. Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные аккумуляторы обычно не имеют такой защиты.

Итак, хотя некоторые могут утверждать, что никель-кадмиевые батареи также должны были прослужить до 1000 циклов зарядки, вам приходилось заряжать эти батареи гораздо больше во время их использования. Также приходилось иметь дело со страшным «эффектом памяти батареи».

Итак, как долго работают литий-ионные батареи? Подводя итог, можно сказать, что минимум, который большинство производителей ожидают от своих аккумуляторов, составляет около 3 лет или 1000 циклов зарядки (в зависимости от того, что меньше). Компании Bosch, DeWalt, Metabo, Makita, Milwaukee Tool и Ridgid дают на свои литий-ионные батареи 2–3 года гарантии. Это действительно хороший показатель их минимальных ожиданий от этих устройств.

Если вы заботитесь о своих батареях, нет причин не рассчитывать, что они прослужат как минимум так долго или дольше.

Источник — https://www.protoolreviews.com

Смотрите аккумуляторные инструменты в каталоге онлайн-выставки Enex:https://enex.market/catalog/elektroinstrument/akkumulyatornyy_instrument/.

Почему литий-ионные батареи умирают так рано? / Хабр

Смерть батареи: мы все видели, как это происходит. В телефонах, ноутбуках, фотоаппаратах, а теперь и электромобилях, процесс болезненный и — если повезет — медленный. С годами, литий-ионный аккумулятор, который когда-то питал ваши устройства в течение нескольких часов (и даже дней!) постепенно теряет свою способность удерживать заряд. В конце концов вы смиритесь, быть может, проклянёте Стива Джобса, а затем купите новую батарею, а то и вовсе новый гаджет.

Но почему это происходит? Что происходит в батарее, что заставляет её испустить дух? Короткий ответ заключается в том, что из-за ущерба от длительного воздействия высоких температур и большого числа циклов зарядки и разрядки в конце концов начинает нарушаться процесс перемещения ионов лития между электродами.

Более подробный ответ, который проведет нас через описание нежелательных химических реакций, коррозию, угрозу высоких температур и других факторов, влияющих на производительность, начинается с объяснения того, что происходит в литий-ионных аккумуляторах, когда всё работает хорошо.

Введение в литий-ионные аккумуляторы

В обычной литий-ионной батарее, мы найдем катод (или отрицательный электрод), сделанный из оксидов лития, таких как оксид лития с кобальтом. Мы также найдем анод или положительный электрод, который сегодня, как правило, изготавливается из графита. Тонкий пористый сепаратор удерживает два электрода друг от друга для предотвращения короткого замыкания. И электролит, изготовленный из органических растворителей и на основе солей лития, который позволяет ионам лития перемещаться внутри ячейки.

Во время зарядки электрический ток перемещает ионы лития от катода к аноду. Во время разрядки (другими словами, при использовании аккумулятора), ионы движутся обратно к катоду.

Даниэль Абрахам, ученый из Аргоннской национальной лаборатории, ведущей научные исследования деградации литий-ионных элементов, сравнил этот процесс с водой в системе гидроэнергетики. Движущаяся вверх вода требует энергии, но она очень легко течет вниз. Фактически, она поставляет кинетическую энергию, говорит Абрахам, похожим образом, литий-кобальтовый оксид в катоде «не хочет отдавать свой литий». Подобно движущейся вверх воде, необходима энергия, чтобы переместить атомы лития из оксида и переместить их в анод.

Во время зарядки ионы помещаются между листами графита, входящих в состав анода. Но, как выразился Абрахам, «они не хотят быть там, при первой возможности они будут двигаться назад», как вода течет вниз по склону. Это и есть разрядка. Долгоживущая батарея выдержит несколько тысяч таких циклов зарядки-разрядки.

Когда мёртвая батарея действительно мертва?

Когда мы говорим о «мёртвой» батарее, важно понять две метрики производительности: энергия и мощность. В некоторых случаях очень важна скорость, с которой вы можете получать энергию из батареи. Это мощность. В электромобилях высокая мощность делает возможным быстрое ускорение, а также торможение, при котором батарее требуется получить заряд в течение нескольких секунд.

В сотовых телефонах, с другой стороны, высокая мощность менее важна, чем ёмкость, или количество энергии, которое может вместить батарея. Батареи высокой ёмкости работают дольше от одного заряда.

Со временем батарея деградирует несколькими способами, которые могут влиять и на ёмкость, и на мощность, пока, в конце концов, она просто не сможет выполнять базовые функции.

Подумайте об этом по другой аналогии, связанной с водой: зарядка аккумулятора, как наполнение ведра водой из под крана. Объем ведра представляет собой вместительность аккумулятора, или ёмкость. Скорость, с которой вы можете наполнить его — повернув кран на полную мощность или тоненькой струйкой — это мощность. Но время, высокие температуры, множественные циклы и прочие факторы, в конечном итоге образуют дыру в ведре.

В аналогии с ведром вода просачивается. В батарее, ионы лития убираются, или «привязываются», говорит Абрахам. В итоге, они лишаются возможности перемещаться между электродами. Поэтому после нескольких месяцев мобильный телефон, который первоначально требовал зарядки раз в пару дней, теперь необходимо заряжать каждые сутки. Затем дважды в день. В конце концов, слишком много ионов лития «привяжутся», и аккумулятор не будет держать сколько-нибудь полезный заряд. Ведро прекратит держать воду.

Что ломается и почему

Активная часть катода (источника ионов лития в батарее) разработана с определенной атомной структурой для обеспечения стабильности и производительности. Когда ионы перемещаются к аноду, а затем возвращаются на обратно в катод, в идеале хотелось бы, чтобы они вернулись на прежнее место, чтобы сохранить стабильную кристаллическую структуру.

Проблема в том, что кристаллическая структура может меняться с каждой зарядкой и разрядкой. Ионы из квартиры А не обязательно вернутся домой, но могут вселиться в квартиру B по соседству. Тогда ион из квартиры B находит свое место занятым этим бродягой и, не вступая в конфронтацию, решает поселиться дальше по коридору. И так далее.

Постепенно эти «фазовые переходы» в веществе преобразовывают катод в новую кристаллическую структуру кристалла с иными электрохимическими свойствами. Точное расположение атомов, первоначально обеспечивающее необходимую производительность, изменяется.

В батареях гибридных автомобилей, которые необходимы только для подачи питания, когда транспортное средство ускоряется или тормозит, отмечает Абрахам, эти структурные изменения происходят гораздо медленнее, чем в электромобилях. Это связано с тем, что в каждом цикле в системе перемещается только небольшая часть ионов лития. В результате им легче возвращаться на свои исходные позиции.

Проблема коррозии

Деградация может происходить также и в других частях батареи. Каждый электрод соединен с коллектором тока, который является по сути куском металла (обычно медь для анода, алюминий для катода), которая собирает электроны и перемещает их во внешнюю цепь. Итак, у нас есть глина из такого «активного» материала, как литий-кобальтовый оксид (который представляет собой керамику и не является очень хорошим проводником), а также клееподобный связующий материал, нанесенный на кусок металла.

Если связующий материал разрушается, это приводит к «шелушению» поверхности коллектора тока. Если металл разъедается, он не может эффективно перемещать электроны.

Коррозия в батарее может возникнуть в результате взаимодействия электролита и электродов. Графитовый анод является «легкоотдающим», т. е. он легко «отдает» электроны в электролит. Это может привести к появлению нежелательного покрытия на поверхности графита. Катод, между тем, весьма «окисляемый», что означает, что он легко принимает электроны от электролита, что в некоторых случаях может разъедать алюминий коллектора тока или формировать покрытие на частях катода, говорит Абрахам.

Слишком много хорошего

Графит — материал, широко используемый для изготовления анодов — термодинамически неустойчив в органических электролитах. Это означает, что с самой первой зарядки нашей батареи, графит реагирует с электролитом. Это создает пористый слой (называемый твёрдым электролитным интерфейсом или ТЭИ), что в итоге защищает анод от дальнейших атак. Эта реакция также потребляет небольшое количество лития. В идеальном мире эта реакция происходила бы один раз, чтобы создать защитный слой, и на этом всё закончится.

В действительности, однако, ТЭИ является весьма нестабильным защитником. Он хорошо защищает графит при комнатной температуре, говорит Абрахам, но при высоких температурах или когда заряд батареи снижается до нуля («глубокий разряд»), ТЭИ может частично растворяться в электролите. При высоких температурах, электролиты также имеют тенденцию разлагаться и побочные реакции ускоряются.

Когда благоприятные условия вернутся, сформируется другой защитный слой, но это съест часть лития, приводя к тем же проблемам, что и у дырявого ведра. Нам придётся заряжать наш сотовый телефон чаще.

Итак, нам требуется ТЭИ для защиты графитового анода, и в таком случае хорошего может быть действительно слишком много. Если защитный слой слишком утолщается, он становится барьером для ионов лития, от которых требуется свободно перемещаться вперед-назад. Это влияет на мощность, которая, как подчеркивает Абрахам, «чрезвычайно важна» для электромобилей.

Создавая лучшие батареи

Так что же можно сделать, чтобы продлить жизнь наших батарей? Исследователи в лабораториях занимаются поиском электролитических добавок, которые бы функционировали подобно витаминам в нашем рационе, т. е. позволят батареи работать лучше и прожить дольше за счет уменьшения вредных реакций между электродами и электролитом, говорит Абрахам. Кроме того, они ищут новые, более стабильные кристаллические структуры для электродов, а также более стабильные связующие материалы и электролиты.

Тем временем, инженеры в компаниях, производящих батареи и электрические автомобили, работают над корпусами и термальными системами управления в попытке сохранять литий-ионные аккумуляторы в постоянном, здоровом диапазоне температур. Нам же, как потребителям, остается избегать экстремальных температур и глубокой разрядки, а также продолжать ворчать по поводу батарей, которые, кажется, всегда умирают слишком быстро.

Как работают литий-ионные батареи?

Крупный план

Впервые изобретенные более 30 лет назад, литий-ионные или литий-ионные батареи стали повсеместной частью нашей повседневной жизни, от крошечных версий в сотовых телефонах до десятикратных стеков, используемых для питания электромобилей. Они являются предметом интенсивных исследований во всем мире в качестве решения насущной проблемы хранения электроэнергии.

Сотни литий-ионных элементов сгруппированы вместе для питания электрических или гибридных автомобилей, таких как изображенная здесь Toyota Prius. ©TOSHIFUMI KITAMURA / AFP

Как работают батареи

Батареи — это устройства, преобразующие химическую энергию в электрическую. Аккумуляторы, также известные как аккумуляторы, могут принимать и хранить электрическую энергию и отдавать ее при необходимости. Это означает, что их можно разряжать и снова заряжать в обратимом процессе. Одноразовые электрические батареи обеспечивают электричествоФорма энергии, возникающая в результате движения заряженных частиц (электронов) по проводнику… к внешней цепи, пока они не разрядятся.

Литий-ионные батареи могут хранить в три-четыре раза больше энергии на единицу массы, чем батареи, использующие другие технологии.

Батареи содержат два электрода, погруженных в электролит — проводящую жидкость или твердое тело — и соединенных снаружи электролита проводящим проводом. При разрядке отрицательный электрод (анод) высвобождает электроны, которые движутся по проводу и поглощаются положительным электродом (катодом). Это движение электронов создает электрический ток, который затем может быть преобразован в мощность. В физике мощность — это количество энергии, поставляемой системой в единицу времени. Проще говоря, мощность можно рассматривать как выходную энергию… двигатель или электронное устройство. Чтобы сбалансировать электронМатерия состоит из атомов. Атом состоит из ядра, состоящего из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов (нейтрально заряженных частиц). обмен, положительные ионы проходят через электролит между двумя электродами. Когда батарея снова заряжается от внешнего источника электроэнергии, этот процесс меняется на обратный.

На ту же тему

Крупный план Различные типы топливных элементов

Крупный план Обеспечение доступности хранилища электроэнергии…

Видео Аккумуляторная батарея

Различные типы перезаряжаемых батарей

В перезаряжаемых батареях используются комбинации материалов, которые могут легко и долго обмениваться электронами и положительными ионами. В автомобилях с двигателем внутреннего сгорания чаще всего используются свинцово-кислотные батареи, которые содержат отрицательный электрод из свинца, положительный электрод из оксида свинца и электролит, состоящий из серной кислоты и воды. Другие материалы, используемые в батареях, включают никель, кадмий, натрий и серу 9.0037 1 .

Ученые особенно заинтересовались литием для аккумуляторов, так как это очень легкий металл (третий элемент в периодической таблице после водорода. Самый простой и легкий атом, самый распространенный элемент во Вселенной. и гелий). Атомы лития могут легко освободить один из своих трех электронов, создавая положительно заряженные ионы Li+. Первоначально производители использовали металлический литий для отрицательного электрода, испускающего электроны. Однако они заметили, что многократное использование и циклы перезарядки изменили металл. Чтобы избежать этого, катоды теперь часто изготавливают из оксида кобальта и небольшого количества лития с графитовым анодом. Электролит состоит из солей лития в растворителе, что означает, что он содержит большое количество ионов лития. Отсюда и пошло название «литий-ионный аккумулятор».

Литий-ионные элементы

Основным компонентом литий-ионного аккумулятора является элемент, который немного похож на слоеное тесто, с алюминиевой пластиной для сбора тока, за которой следуют катод, электролит, анод, и, наконец, медная пластина (см. схему) .

Когда аккумулятор заряжается, ионы лития Li+ покидают положительный электрод (катод) и накапливаются в отрицательном электроде (аноде). Когда он разряжается для создания электрического тока, ионы Li+ движутся в противоположном направлении ² .

Эти элементы, каждый с напряжением в несколько вольт, могут быть сгруппированы вместе в различном количестве, в зависимости от емкости, необходимой для питания сотового телефона или автомобильного аккумулятора.

Преимущества и недостатки

Литий-ионные аккумуляторы имеют высокую плотность энергииКоличество энергии, хранящейся в объекте, выраженное в ватт-часах на килограмм (1 Втч/кг = 3,6 кДж/кг). .. , а это означает, что они могут хранить в три-четыре раза больше энергии на единицу массы, чем батареи, использующие другие технологии. Они быстро перезаряжаются и могут использоваться снова и снова, выдерживая не менее 500 циклов разрядки/зарядки при 100%.

Однако они подвержены риску внезапного возгорания и выделения токсичных газов из-за перегрева электролита выше 100°C, известного как тепловой выход из строя. Это привело к тому, что за последние годы производители отозвали тысячи мобильных телефонов и планшетов. В 2013 году в самолете Boeing 787 после посадки загорелась батарея.

Исследования показали, что причиной перегрева чаще всего является короткое замыкание, вызванное неправильной сборкой или ударом. В результате производители теперь обязаны следовать строгим процессам и оснащать производимые ими литий-ионные батареи электронной системой управления батареями (BMS), которая отключает питание при обнаружении аномалии.

Кроме того, производители изучают инновационные технологии, которые могли бы помочь предотвратить перегрев, такие как твердые электролиты из ультратонких полимерных пленок.

На рынке аккумуляторов доминируют азиатские компании, что можно считать геополитическим риском, учитывая стратегическое значение этого оборудования для мировой экономики. Еще одной проблемой является крайне неравномерное распределение ресурсов лития по всему миру, что может привести к экологическим проблемам при их добыче. См. специальный отчет о редких металлах.

(1) Сравнение аккумуляторов – Lycée Eiffel (на французском языке)

(2) Посмотрите анимацию от BASF

Был ли этот крупный план интересным?

1 0

Метки: аккумулятор Литий-ионный

Часть 4: Что такое твердотельные батареи? Эксперт объясняет основы, чем они отличаются от обычных батарей, и возможности практического применения.

Эта серия из пяти частей знакомит с характеристиками, историей и будущими возможностями литий-ионных аккумуляторов под руководством Рёдзи Канно, профессора Токийского технологического института. Часть 4 посвящена твердотельным батареям, которые имеют характеристики, аналогичные литий-ионным батареям, и считаются «батареями следующего поколения». В нем объясняются их отличия от современных литий-ионных аккумуляторов, рассматриваются ожидаемые области их применения и проблемы практического применения.

Читайте также:Часть 3: Даже Нобелевскую премию! История распространения литий-ионных аккумуляторов

Руководитель: Рёдзи Канно
Профессор института (почетный профессор), Институт инновационных исследований, Токийский технологический институт

В 1980 году он получил степень магистра неорганической и физической химии в Высшей школе наук Осакского университета. В 1985 году он стал доктором наук. После работы адъюнкт-профессором на факультете естественных наук Университета Кобе в 2001 году он стал профессором Междисциплинарной высшей школы науки и техники Токийского технологического института. В 2016 году он стал профессором Школы Токийского технологического института. Материалы и химическая технология. В 2018 году он стал профессором Института инновационных исследований Токийского технологического института и руководителем подразделения полностью твердотельных аккумуляторов. В 2021 году он стал профессором Института инновационных исследований Токийского технологического института и директором Исследовательского центра твердотельных аккумуляторов.

ИНДЕКС
1. Что такое твердотельные батареи?
2. Как работают твердотельные батареи?
3. Какие существуют типы твердотельных аккумуляторов?
4. Чем они отличаются от литий-ионных аккумуляторов? Описание преимуществ твердотельных аккумуляторов
5. Каковы области применения твердотельных батарей?
6. Насколько безопасны твердотельные батареи?
7. Каковы проблемы практического применения твердотельных аккумуляторов?

1. Что такое твердотельные батареи?

Как следует из названия, твердотельная батарея — это батарея, в которой все компоненты, из которых состоит батарея, являются твердотельными. Вторичные аккумуляторы (аккумуляторы, которые можно перезаряжать и использовать повторно), такие как литий-ионные аккумуляторы, в основном состоят из двух электродов (катода и анода), сделанных из металла, и электролита, заполняющего пространство между ними. В обычных вторичных батареях в качестве электролита используется жидкость, но в твердотельных батареях в качестве электролита используется твердое вещество.

Ожидается, что твердый электролит позволит создавать батареи большей емкости и большей мощности, чем литий-ионные батареи. Более того, твердый электролит имеет преимущества с точки зрения безопасности по сравнению с литий-ионными батареями. Поэтому они привлекают внимание к установке в электромобилях и других продуктах.

Таким образом, говорят, что твердотельные батареи будут иметь различные преимущества, если их можно будет использовать на практике. В настоящее время различные компании соревнуются в разработке продуктов и реализации серийного производства для больших объемов поставок.

2. Как работают твердотельные батареи?

Как работают литий-ионные и твердотельные батареи

Твердотельные батареи имеют почти такой же механизм, как и литий-ионные батареи для извлечения электроэнергии из батарей. В качестве материала для электродов используется металл, а электрический поток генерируется ионами, движущимися через электролит между катодом и анодом. Большая разница в том, что электролит твердый. Кроме того, когда электролит представляет собой жидкость, имеется сепаратор, который отделяет катод от анода, предотвращая внезапное смешивание жидкости на стороне катода с жидкостью на стороне анода. Но в случае твердого электролита сепаратор не нужен.

Ключом к исследованию твердотельных батарей является открытие и/или разработка твердотельных материалов. В прошлом не было обнаружено твердотельного материала, который позволял бы ионам перемещаться внутри и создавать достаточный поток электричества к электродам. Но открытие таких материалов дало импульс развитию твердотельных батарей. При переходе от жидкого к твердому электролиту ионы будут хорошо перемещаться в батареях, что позволит создавать батареи большей емкости и большей мощности, чем литий-ионные батареи.

3. Какие существуют типы твердотельных аккумуляторов?

Твердотельные батареи в целом подразделяются на «объемные» и «тонкопленочные» в зависимости от метода производства, при этом количество энергии, которое они могут хранить, различается.

Тип	Характеристики	Предполагаемое использование
оптом	Может хранить много энергии	Аккумуляторы для электромобилей и т. д.
Тонкопленочный	Может хранить лишь небольшое количество энергии, но хватает надолго	IoT-устройства и т. д.

Характеристики объемных твердотельных батарей

Порошки (вещества, состоящие из порошка, гранулированного материала и др. ) применяют в качестве материалов электродов и электролита. Можно сделать батареи большой емкости, которые могут хранить много энергии. Ожидается, что они в основном будут использоваться для крупных вещей, таких как электромобили.

Характеристики тонкопленочных твердотельных аккумуляторов

Это аккумуляторы, изготовленные путем укладки тонкопленочного электролита на электроды в вакуумном состоянии. Количество хранимой энергии невелико, и они не могут производить большую мощность. Однако есть и преимущества, такие как длительный срок службы и простота изготовления. Поскольку они маленькие, они подходят для использования в небольших устройствах, таких как датчики.

4. Чем они отличаются от литий-ионных аккумуляторов? Описание преимуществ твердотельных аккумуляторов

Твердотельные батареи, которые, как ожидается, станут следующим поколением вторичных батарей, обладают следующими преимуществами.

Характеристики твердотельных батарей

Выдерживают низкие и высокие температуры

Поскольку электролиты в литий-ионных батареях изготовлены из легковоспламеняющихся органических растворителей (жидкостей, растворяющих вещества, не растворяющиеся в воде), их использование в условиях высоких температур вызывает опасения. С другой стороны, поскольку электролиты в твердотельных батареях не сделаны из горючих материалов, их можно использовать при более высоких температурах.

Кроме того, в случае жидкостей движение ионов замедляется при низких температурах, что приводит к снижению производительности батареи и снижению напряжения. В случае с твердыми телами внутреннее сопротивление увеличивается не так сильно, и производительность батареи не сильно падает, потому что твердое тело не замерзает, как жидкость, даже при низких температурах.

Возможна быстрая зарядка

Преимущество устойчивости к высоким температурам также полезно для быстрой зарядки. Чем быстрее заряжаются аккумуляторы, тем больше они нагреваются. Из-за этого считается, что устойчивые к высоким температурам твердотельные батареи можно будет заряжать даже быстрее, чем современные литий-ионные батареи.

Долгий срок службы

Срок службы батареи зависит от свойств электролита. Поскольку в литий-ионных батареях не используется аккумуляторная реакция, как в других вторичных батареях, электрод изнашивается мало и служит долго, но при длительном использовании можно увидеть ухудшение состояния электролита. В этом отношении, поскольку электролиты в твердотельных батареях портятся меньше, чем жидкости, можно будет еще больше продлить срок службы батареи.

Высокая степень свободы формы

Жидкие электролиты имеют конструктивные ограничения для предотвращения утечки жидкости. Но в случае с твердотельными батареями такого ограничения нет. Таким образом, их можно использовать в различных формах, потому что их легко сделать меньше и тоньше, а также потому, что их можно использовать внахлест или изгиб.

5. Каковы области применения твердотельных батарей?

Ожидаемые области применения твердотельных аккумуляторов

Одно из предполагаемых применений твердотельных батарей — электромобили. В настоящее время в электромобилях используются литий-ионные аккумуляторы. Но если бы они использовали твердотельные батареи, риск воспламенения в результате аварий, как ожидается, снизится, поскольку они не содержат легковоспламеняющихся органических растворителей. Кроме того, в то время как современные электромобили заряжаются дольше, чем заправка бензином, твердотельные батареи можно будет заряжать быстрее.

Кроме того, одна из причин, по которой активно ведется практическое применение твердотельных аккумуляторов, заключается в том, что они могут компенсировать слабое место литий-ионных аккумуляторов, заключающееся в уязвимости к высоким температурам. Поскольку они могут быть припаяны непосредственно к электронной подложке, используя преимущества их термостойких характеристик, также ожидается, что их использование будет включать резервные источники питания электронных устройств и датчики IoT. При использовании на ПК или смартфонах они должны обеспечивать мощную работу в течение более длительного времени.

Кроме того, поскольку твердотельные батареи могут достигать большей емкости и большей производительности, чем литий-ионные батареи, можно ожидать, что они будут использоваться в самолетах и кораблях. А поскольку они устойчивы к температурным изменениям в диапазоне от высоких до низких температур, можно ожидать, что их области применения будут расширяться, включая устройства, используемые в космосе.

6. Насколько безопасны твердотельные батареи?

В литий-ионных батареях

в качестве электролитов используются легко испаряющиеся органические растворители, поэтому их использование в условиях высоких температур вызывает опасения. Кроме того, чтобы использовать жидкие электролиты, необходимо было разработать способы предотвращения прямого контакта катода и анода (короткого замыкания) при ударе, например, с помощью разделителей между ними.

Твердотельные батареи трудно замкнуть накоротко, поскольку электроды разделены твердым телом, и их можно использовать при более высоких температурах, поскольку в них используются высокотермостойкие электролиты. Однако, поскольку все батареи представляют собой «консервированную энергию», твердотельные батареи небезопасны. При обращении с ними необходимо соблюдать осторожность, так как по какой-либо причине электроды могут замкнуться накоротко.

7. Каковы проблемы практического применения твердотельных аккумуляторов?

Ведутся исследования и разработки высокоэффективных твердых электролитных материалов с целью практического применения твердотельных аккумуляторов в начале 2020-х годов. Для этого также необходимо решить следующие задачи.

Вызов твердого электролита

Чтобы аккумуляторы работали хорошо, электроды и электролит всегда должны находиться в тесном контакте. Жидкие электролиты всегда меняют форму, поэтому они могут поддерживать тесный контакт, даже если электрод немного изменится. С другой стороны, с твердым на твердом существует проблема, заключающаяся в том, что трудно всегда поддерживать тесный контакт.

Проверка электродных материалов

Для того, чтобы твердотельные батареи значительно увеличили плотность энергии по сравнению с существующими литий-ионными батареями, необходимо разработать электроды, которые могут хранить больше энергии при том же весе и размере.

Проблема производственного процесса

Поскольку электролит будет заменен с жидкого на твердый, необходим производственный процесс, отличный от литий-ионных аккумуляторов. Например, твердотельные батареи могут быть основаны на оксидах, сульфидах, нитридах и т.