Что такое твердотельная батарея и решим ли мы проблемы с работой батареи

Мобильные технологии растут в мощности экспоненциально, но технология батареи не отстает. Мы достигаем физических пределов того, что могут сделать обычные литий-ионные и литиево-полимерные конструкции. Решение может быть чем-то вроде твердотельной батареи.

Что такое твердотельная батарея

В обычной конструкции батареи чаще всего используются литий-ионы — два твердых металлических электрода с жидкой литиевой солью, действующей в качестве электролита. Ионные частицы движутся от одного электрода (катода) к другому (аноду), когда заряжается аккумулятор, и наоборот, когда он разряжается. Электролит жидкой литиевой соли — это среда, которая позволяет это движение. Если Вы когда-либо видели, что батарея разъедает или пробивается, «аккумуляторная кислота», которая сочится (или иногда взрывается), представляет собой жидкий электролит.

В твердотельной батарее как положительный, так и отрицательный электроды и электролит между ними представляют собой твердые куски металла, сплава или другого синтетического материала. Термин «твердотельный» может напоминать Вам о накопителях SSD, и это не совпадение. Твердотельные накопители используют флэш-память, которая не перемещается, в отличие от стандартного жесткого диска, который хранит данные на вращающемся магнитном диске, питаемом крошечным двигателем.

Хотя идея твердотельных батарей существует уже много десятилетий, успехи в их развитии только начинаются, в настоящее время стимулируются инвестициями от компаний электроники, автопроизводителей и поставщиков промышленной продукции.

Что лучше в твердотельных батареях

Твердотельные батареи обещают несколько отличных преимуществ перед своими аналогами, наполненными жидкостями: лучшее время автономной работы, более быстрое время зарядки и более безопасный опыт.

Твердотельные батареи сжимают анод, катод и электролит на три плоских слоя вместо суспендирования электродов в жидком электролите. Это означает, что Вы можете сделать их меньше или, по крайней мере, более плоскими, при этом удерживая столько энергии, сколько более крупная батарея на основе жидкости. Итак, если Вы заменили литий-ионный или литиево-полимерный аккумулятор на своем телефоне или ноутбуке с твердотельной батареей такого же размера, она получила бы намного большую зарядку. В качестве альтернативы Вы можете сделать устройство, которое имеет тот же заряд намного меньше или тоньше.

Твердотельные батареи также более безопасны, поскольку нет токсичных, легковоспламеняющихся жидкостей для разлива, и они не выводят столько тепла, сколько обычные аккумуляторные батареи. При применении к батареям, которые питают электронику или даже электрические автомобили, они могут перезаряжаться намного быстрее, ионы могут двигаться намного быстрее от катода к аноду.

Согласно последним исследованиям, твердотельная батарея может превосходить обычные перезаряжаемые батареи на 500% или более с точки зрения мощности и заряжаться в десятую часть времени.

Каковы недостатки

Поскольку твердотельные батареи представляют собой новую технологию, они невероятно дороги в производстве. Так дорого, по сути, что они не установлены ни в одной крупной потребительской электронике на данный момент. В 2012 году аналитики, пишущие для отдела анализа программного обеспечения Университета Флориды и отдела усовершенствования материалов, подсчитали, что типичная твердотельная батарея размером с сотовый телефон будет стоить около 15 000 долларов США для производства. Один достаточно большой блок для питания электромобиля обойдется в 100 000 долларов.

Отчасти это связано с тем, что экономия на масштабе не существует — сотни миллионов перезаряжаемых батарей производятся каждый год прямо сейчас, поэтому стоимость производства материалов и оборудования распределяется по огромным линиям питания. Есть только несколько компаний и университетов, изучающих твердотельные батареи, поэтому стоимость производства каждого из них астрономическая.

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

Когда мы сможем использовать твердотельные батареи

Как и во всех новых технологиях, пытаясь понять, когда Вы сможете использовать это, это в лучшем случае догадка.

Хорошо, что многие огромные корпорации инвестируют в исследования, необходимые для вывода на рынок твердотельных аккумуляторов, но в ближайшем будущем они не могут совершить крупный прорыв, трудно сказать, будет ли большой шаг вперед. По крайней мере, одна автомобильная компания заявляет, что к 2023 году она будет готова поставить ее в транспортное средство, но не говорит, сколько будет стоить этот автомобиль. Пять лет кажутся слишком оптимистичными; вероятнее всего, десять лет. Это может быть двадцать лет или более до того, как материалы будут урегулированы, и будут разработаны производственные процессы.