Твердотельные батареи

Islam
Эксперт
Сообщения: 164
Зарегистрирован: 14 июн 2021, 12:24

Твердотельные батареи

Сообщение Islam »

Представьте себе это: в настоящее время проходит тестирование технология, которая, когда ее представят общественности, станет долгожданной революцией в энергетике. Эта новая технология обещает быть более безопасной и эффективной, чем все, что есть сейчас на рынке. Это повлияет на то, что мы считаем обыденным - электроинструменты, игрушки, ноутбуки, смартфоны - и на то, что мы считаем исключительным - медицинские устройства, космические корабли и инновационные конструкции новых транспортных средств, необходимые для того, чтобы избавить нас от ископаемого топлива. Мы знали об этой технологии на протяжении веков, но до сих пор мы могли делать лишь небольшие шаги к ее созданию. Миллиарды долларов вкладываются в исследования, и миллиарды долларов будут получены после того, как технология будет усовершенствована и выпущена.
Это описание может звучать очень похоже на термоядерную энергию. Тем не менее, на самом деле это относится к грядущим инновациям в области аккумуляторных технологий, особенно в области твердотельных аккумуляторов. И хотя и термоядерная энергия, и твердотельные батареи были названы технологиями будущего, но не сегодняшнего дня, достижения и инвестиции в твердотельные материалы с годами значительно увеличились. Сегодня в этом участвует не только множество крупных компаний и заслуживающих доверия исследователей, но и кажется, что мы, наконец, увидим, что эти батареи будут выпущены всего в ближайшие несколько лет.
Чего мы можем ожидать, когда эта неуловимая, преобразующая технология, наконец, будет готова к массовому производству?

Изображение
На упрощенной схеме показан жидкий электролит обычных батарей и твердый электролит твердотельных батарей.

Батареи - это не что иное, как устройства, которые хранят химическую энергию и преобразуют ее в электрическую. Они состоят из четырех основных частей: катода, анода, электролита и сепаратора. Катод и анод - это электроды. Наш электрический ток возникает, когда электроны переходят от одного электрода к другому. В этом случае электроны переходят от отрицательно заряженного анода к положительно заряженному катоду. Таким образом, роль двух электродов - производить электрический ток. Раствор электролита позволяет положительно заряженным ионам течь между двумя электродами. Это уравновешивает поток электронов. Наконец, разделитель разделяет два электрода и предотвращает короткое замыкание батареи.
Есть одно важное отличие между нашими нынешними батареями и твердотельными батареями будущего: электролит. Современные литий-ионные батареи содержат жидкий электролит. К сожалению, некоторые соединения, присутствующие в жидком электролите, допускают рост кристаллических структур, известных как дендриты. Дендриты образуют длинные острые усы, которые могут проткнуть сепаратор и вызвать короткое замыкание, что, в свою очередь, приведет к опасным взрывам. Как следует из названия, твердотельные батареи содержат твердый электролит, который препятствует росту этих вредных дендритов. Не говоря уже о том, что когда электролит переключается с жидкого на твердый, происходит нечто поразительное.
Аккумулятор имеет более высокую плотность энергии, значительно снижен риск возгорания и взрыва, он занимает меньше места и может работать в более широком диапазоне температур. Давайте посмотрим, например, что это будет значить для автомобилей.

Изображение
Светло-серые кристаллические структуры представляют собой дендриты, образующиеся внутри литиевого электрода. Изображение предоставлено El-Cell.

Безусловно, самым большим недостатком современных электромобилей является их ограниченный запас хода. Средний электромобиль будет иметь запас хода в 250–300 миль (402–483 км) при полной зарядке. Полная зарядка автомобиля занимает от часа до 17 часов в зависимости от того, заряжается ли автомобиль на станции или от стандартной розетки дома. Тем не менее, ожидается, что популярность электромобилей будет продолжать расти, и в конечном итоге они будут доминировать в автомобильном секторе. Чтобы достичь этой точки, им нужно будет расширить свой диапазон как минимум до 450 миль (724 км), оставаясь при этом доступным для потребителя.
Давайте теперь представим твердотельную батарею.
Запас хода электромобилей увеличивается вдвое или втрое по сравнению с текущим значением. Компании могут выбрать между изготовлением меньшей и легкой батареи, которая заряжается быстрее, или оставлением батареи того же размера с гораздо более широким диапазоном. Время зарядки также сокращается до 15 минут. Если мы посмотрим на достижения Samsung в области твердотельных аккумуляторов, мы увидим, что они смогли разработать аккумулятор, который можно заряжать и разряжать более 1000 раз с дальностью действия 500 миль (805 км) за один заряд. Это время автономной работы 500 000 миль. И при этом иметь возможность эффективно работать при более экстремальных температурах.
Что-то вроде этого может стать концом газовых транспортных средств. Для ноутбуков и смартфонов это означает, что устройства могут работать несколько дней от одной (очень быстрой) зарядки, а общий срок службы батареи увеличится с 2 лет до более чем 10. Медицинские устройства могут стать более портативными и компактными, а больший температурный диапазон означает твердотельные батареи могут найти применение в космической технике будущего.
Этот потенциал не ускользнул от внимания влиятельных компаний. Volkswagen, Ford, BMW, Hyundai, Toyota и Билл Гейтс вложили миллиарды долларов в исследования полупроводников. Поддерживаемая Биллом Гейтсом компания, известная как QuantumScape, создала твердотельные батареи со слоями керамики, устойчивыми к росту дендритов и способными работать при более низких температурах. Toyota планирует ограниченный выпуск автомобилей с твердотельными аккумуляторами к 2025 году. И все же самый захватывающий прорыв исходит от человека, о котором вы, вероятно, никогда не слышали. Поддерживаемая Биллом Гейтсом компания, известная как QuantumScape, создала твердотельные батареи со слоями керамики, устойчивыми к росту дендритов и способными работать при более низких температурах. Toyota планирует ограниченный выпуск автомобилей с твердотельными аккумуляторами к 2025 году. И все же самый захватывающий прорыв исходит от человека, о котором вы, вероятно, никогда не слышали.

Изображение
CeraCharge производит твердотельные батареи размером с рисовое зерно.

Группа исследователей во главе с физиком Джоном Гуденаф подала патент на стеклянную и керамическую твердотельную батарею, которая является стабильной, негорючей, обеспечивает более быструю зарядку и имеет в 3 раза больше энергии, чем обычная литий-ионная батарея. Это было достигнуто путем добавления натрия или лития, чтобы сформировать электрод в батарее. Не менее важно то, что аккумулятор доступен по цене и рассчитан на более чем 2000 циклов зарядки и разрядки. Диапазон рабочих температур стеклянной батареи составляет от -4º F до 140º F (от -20º C до 60º C).
Сам Гуденаф - необычный ученый. Он получил 8 научных наград, в том числе Нобелевскую премию по химии. Его прошлые инновации, изменившие мир, включают оригинальную литий-ионную батарею и оперативную память, необходимую для работы вашего компьютера. Его участие - наряду с участием многих крупных конкурирующих компаний - сделало твердотельные батареи доступными для нас. Мы можем увидеть ограниченный выпуск этой технологии всего через 3 или 4 года, хотя трудно сказать, когда она станет доступной для широкой публики.
Аккумулятор - это гораздо больше, чем просто удобство. Он представляет собой ключевой элемент в спасении мира. Более мощные электромобили могут привести к резкому сдвигу на автомобильном рынке - переходу от автомобилей с более тяжелым выбросом газа. Твердотельные батареи также могут производиться из экологически чистых материалов, таких как тот самый натрий, который содержится в нашей обильной океанской воде. Но, возможно, более всего появление твердотельных батарей будет отражать возможности наших самых блестящих умов: способность воплотить в жизнь технологию, о которой мы знали веками и о которой мечтали десятилетиями. Это не обязательно навсегда, чтобы оставаться технологией будущего, но может быть технологией сегодняшнего дня.

источник

Вернуться в «ИНТЕРНЕТ-ВЕЩЕЙ И УМНЫЕ УСТРОЙСТВА»