Sisältö

• Tilaa säästävä
• Pidempi käyttöikä
• Kiintoaineisten elektrolyyttien tyypit
• Ohutkalvoakut
• Suuret, bulkkimaiset paristot
• Erittäin johtava
• Paketoida

Muutama viikko sitten Kris esitteli meille puolijohdeakkujen aiheen ja kuinka ne saattavat olla seuraava merkittävä edistysaskel älypuhelinten akkutekniikassa. Lyhyesti sanottuna, puolijohdeakut ovat turvallisempia, ne voivat pakata enemmän mehua ja niitä voidaan käyttää jopa ohuempiin laitteisiin. Valitettavasti he ovat tällä hetkellä kohtuuttoman kalliita sijoittaa keskikokoisiin älypuhelinten soluihin, mutta se saattaa muuttua tulevina vuosina.

Joten, jos olet miettinyt, mikä on puolijohdeakku ja miten se eroaa nykypäivän litium-ionikennoista, lue eteenpäin.

Avainero yleisesti käytetyn litium-ioni-akun ja puolijohdeakun välillä on se, että edellinen käyttää nestemäistä elektrolyyttistä ratkaisua virran virtauksen säätelemiseen, kun taas puolijohdeakut valitsevat kiinteän elektrolyytin. Akun elektrolyytti on johtava kemiallinen seos, joka mahdollistaa virran virran anodin ja katodin välillä.

Kiinteät paristot toimivat edelleen samalla tavalla kuin nykyiset akut, mutta materiaalimuutos muuttaa joitain akun ominaisuuksia, mukaan lukien enimmäisvarastointikapasiteetti, latausajat, koko ja turvallisuus.

Akun sisällä oleva virta kulkee anodin ja katodin välillä johtavan elektrolyytin läpi, kun taas erottimia käytetään oikosulun estämiseen.

Tilaa säästävä

Nesteestä kiinteään elektrolyyttiin vaihtamisen välitön hyöty on, että akun energiatiheys voi nousta. Tämä johtuu siitä, että sen sijaan, että vaadittaisiin suuria erottimia nestemäisten kennojen välillä, kiinteät akut vaativat vain hyvin ohuita esteitä oikosulun estämiseksi.

Kiinteät akut voivat pakata kaksinkertaisesti enemmän energiaa kuin Li-ion

Tavanomaisilla nesteellä imeytyneillä akunerottimilla on paksuus 20-30 mikronia. Solid-state-tekniikka voi vähentää erottimia aina 3-4 mikroniin, joka säästää noin 7-kertaisesti tilaa vaihtamalla materiaaleja.

Nämä erottimet eivät kuitenkaan ole ainoa komponentti akun sisällä, ja muut bitit eivät voi kutistua yhtä paljon, mikä asettaa rajan puolijohdeakkujen tilan säästöpotentiaalille.

Silti puolijohdeakut voivat pakata jopa kaksi kertaa enemmän energiaa kuin Li-ioni, kun myös anodi korvataan pienemmällä vaihtoehdolla.

Pidempi käyttöikä

Kiinteät elektrolyytit ovat tyypillisesti vähemmän reaktiivisia kuin nykyiset nesteet tai geelit, joten niiden voidaan odottaa kestävän paljon kauemmin, eikä niitä tarvitse vaihtaa vain 2 tai 3 vuoden kuluttua. Tämä tarkoittaa myös sitä, että nämä paristot eivät räjähtää tai syttyä tuleen, jos ne ovat vaurioituneet tai kärsivät valmistusvirheistä, mikä tarkoittaa kuluttajille turvallisempia tuotteita.

Solid-state-paristot eivät räjähtää tai syttyä tuleen, jos ne ovat vaurioituneet tai kärsivät valmistusvirheistä.

Nykyisissä älypuhelimissa vaihdettavia akkuja haetaan usein niille, jotka haluavat käyttää samaa puhelinta monien vuosien ajan, koska ne voidaan vaihtaa keskenään, kun ne alkavat hajottaa.

Älypuhelimien akut eivät yleensä pidä lataustaan ​​noin vuoden kuluttua ja ne voivat jopa aiheuttaa laitteistojen epävakauden, palautumisen tai jopa lakata toimimasta usean vuoden käytön jälkeen. Puolijohdeakkujen avulla älypuhelimet ja muut välineet voivat kestää paljon kauemmin ilman, että tarvitset korvaavaa solua.

Paristoissa on paljon kiinteitä kemiallisia yhdisteitä, ei vain yhtä.

Nestemäisten tai kiinteiden akkujen puhuminen on aiheen yksinkertaistamista, koska paristoissa on paljon kiinteitä kemiallisia yhdisteitä, ei vain yhtä.

Kiintoaineisten elektrolyyttien tyypit

Puolijohdeakkuja on kahdeksan eri pääluokkaa, joissa kukin käyttää erilaisia ​​materiaaleja elektrolyyttiin. Näitä ovat Li-Halide, Perovskite, Li-Hydride, NASICON-tyyppiset, Garnet, Argyrodite, LiPON ja LISICON.

Koska olemme edelleen tekemisissä nousevan teknologian kanssa, tutkijat ovat edelleen selvittämässä parhaita tyyppisiä solid-state-elektrolyyttejä käytettäväksi eri tuoteryhmissä. Kukaan ei ole vielä tullut selkeäksi johtajaksi, mutta sulfidipohjaiset, LiPON- ja Garnet-solut nähdään tällä hetkellä lupaavimpana.

Olet todennäköisesti huomannut, että monet näistä tyypeistä ovat jossain suhteessa edelleen litium- (Li) -pohjaisia, koska ne käyttävät edelleen litium-elektrodeja. Mutta monet valitsevat uusia anodi- ja katodielektrodimateriaaleja suorituskyvyn parantamiseksi.

Ohutkalvoakut

Jopa solid-state akkutyypeissä on kaksi selkeää alatyyppiä - ohutkalvo ja irtotavara. Yksi markkinoiden menestyneimmistä ohutkalvotyypeistä on LiPON, jota suurin osa valmistajista tuottaa litiumanodilla.

LiPON-elektrolyytti tarjoaa erinomaiset paino-, paksuus- ja joustavuusominaisuudet, joten se on lupaava solutyyppi puettavalle elektroniikalle ja pienille kennoja vaativille laitteille. Palattuaan pidempään kestäviin soluihin, LiPON on myös osoittanut erinomaista vakautta vain 5%: n kapasiteetin vähenemisellä 40 000 latausjakson jälkeen.

LiPON-paristot voivat kestää 40 - 130 kertaa pidempään kuin Li-ion-paristot ennen kuin ne tarvitsevat vaihtaa.

Vertailun vuoksi litium-ioniakut tarjoavat vain 300–1000 jaksoa, ennen kuin kapasiteetin lasku on samanlainen tai suurempi. Tämä tarkoittaa, että LiPON-akut voivat kestää missä tahansa 40 - 130 kertaa pidempään kuin Li-ion-akut ennen kuin ne on vaihdettava.

LiPONin haittapuoli on, että sen kokonaisenergian varastointikapasiteetti ja johtavuus ovat melko heikot verrattuna. Vaihtoehtoiset puolijohdeakkutekniikat saattavat kuitenkin olla avain pitkäaikaisten akkujen pidentämiseen älykelloissa, mikä estää tällä hetkellä useita asiakkaita valitsemasta puetta.

Suuret, bulkkimaiset paristot

Toistaiseksi puolijohdeakut eivät vielä sovellu suurempiin älypuhelimista ja tablet-laitteista löytyviin soluihin, puhumattakaan kannettavista tietokoneista tai sähköautoista. Suuremmille kapasiteetiltaan suuremmille puolijohdeakkuille vaaditaan ylivoimaista johtavuutta, joka on lähellä nestemäisiä elektrolyyttejä tai vastaa niitä, mikä sulkee pois muuten lupaavat tekniikat, kuten LiPON. Ioninen johtavuus mittaa ionien kykyä liikkua materiaalin läpi, ja suuret solut vaativat hyvän johtavuuden vaadittavan virran varmistamiseksi.

LISICON ja LiPS ovat ohittaneet LiPO-, LiS- ja SiS-paristojen tutkimuksen, jotka ovat aikaisemmat puolijohdealueen johtajat. Nämä tyypit kärsivät kuitenkin edelleen alhaisemmasta johtavuudesta kuin orgaaniset ja nestemäiset elektrolyytit huoneenlämpötilassa, mikä tekee niistä epäkäytännöllisiä kaupallisille tuotteille.

Erittäin johtava

Täältä tulee tutkimusta granaatti-oksidi (LLZO) -elektrolyytteistä, koska sen ioninjohtavuus huoneenlämmössä on korkea.

Materiaalilla saavutetaan johtavuus, joka on vain vähän jäljessä nestemäisten litium-ioni-solujen tarjoamista tuloksista, ja LGPS: n uudet tutkimukset viittaavat siihen, että tämä materiaali voisi jopa vastaaa sitä.

Tämä tarkoittaisi puolijohdeakkuja, joiden teho ja kapasiteetti olisi suunnilleen yhtä suuri kuin nykyisten Li-ion-kennojen kanssa, vaikka pienen koon ja pidemmän käyttöiän kaltaisista eduista tulee totta.

Granaatti on myös vakaa ilmassa ja vedessä, joten se soveltuu myös Li-Air-akkuihin. Valitettavasti se on valmistettava käyttämällä kallista sintrausprosessia.

Tämä tekee siitä tällä hetkellä epätyydyttävän ehdotuksen käytettäväksi kuluttajaparistoissa verrattuna litium-ionikennojen alhaisiin kustannuksiin. Jatkossa kustannukset todennäköisesti laskevat, kun valmistustekniikoita parannetaan, mutta olemme vielä kaukana kaupallisesti kannattavasta puolijohdeakusta.

Paketoida

On selvää, että solid-state akkutekniikka on edelleen käynnissä paljon tutkimusta. Emme aio nähdä kypsien solujen tekevän tietä kuluttajatuotteisiin, kuten älypuhelimiin, vielä 4 tai 5 vuoden ajan varhaisimpien ennusteiden mukaan. Muiden laitteiden (kuten dronejen) puolijohdeakut voivat kuitenkin ilmestyä heti ensi vuonna.

Viimeisimmästä tutkimuksesta on kuitenkin lopulta saatu tuloksia, jotka voivat kilpailla olemassa olevien li-ion-akkujen ominaisuuksien suhteen, samalla kun ne tarjoavat myös puolijohde-elektrolyyttien edut. Tarvitsemme vain valmistusprosessien kypsymisen, ja joukolla suuria ja tulevia akkujen valmistajia on resursseja tämän toteuttamiseksi.

Yhteenvetona voidaan todeta, että kaikkien näiden kemiallisten erojen tärkeimmät hyödyt kuluttajan näkökulmasta ovat: jopa 6 kertaa nopeampi lataus, jopa kaksinkertainen energiatiheys, pidempi syklin käyttöikä, joka on jopa 10 vuotta, verrattuna kahteen, ja ei palavia komponentteja. Se on varmasti apu älypuhelimille ja muille kannettaville laitteille.