Við tökum mikið af tækninni í kringum okkur sem sjálfsögðum hlut. Til dæmis örtölvur fyrir síma sem virka án þess að hlaða sig allan daginn. En ég vil að síminn virki í 3-4 daga án endurhleðslu. Eða rafbíll sem getur farið 1000 kílómetra, hlaðið á nokkrum mínútum ... og kostað minna en bíll með bensínvél. Það hefur verið mikið rætt um solid-state rafhlöður í gegnum árin, en hvernig gengur núna? Og hversu miklu meira þurfum við að bíða þangað til solid state rafhlöður enda inni í tækjunum okkar?
Nýjasta dæmið er Toyota sem tilkynnti um solid-state rafhlöðubíl á vetrarólympíuleikunum. Lithium-ion rafhlöðurnar sem við notum í dag, eins frábærar og þær eru, hafa ákveðna galla sem solid-state rafhlöður reyna að leysa.
Hvað eiga þeir sameiginlegt?
Báðar tegundir nota litíum til að framleiða rafmagn og almenn uppbygging þeirra er nokkuð svipuð. Einfaldlega sagt, þeir hafa rafskaut (neikvætt rafskaut), bakskaut (jákvæð rafskaut) og raflausn.
Helsti munurinn þeirra liggur í ástandi raflausnarinnar, sem hjálpar til við að flytja jónir frá bakskautinu til rafskautsins við hleðslu og öfugt við losun. Með öðrum orðum, raflausnin stjórnar flæði rafstraums milli neikvæðu og jákvæðu hliðar rafhlöðunnar. Þó að litíumjónarafhlöður noti fljótandi raflausn, nota solid-state rafhlöður, eins og nafnið gefur til kynna, þunn lög af föstu raflausn.
Hvers vegna er þetta mikilvægt?
Raflausnir í föstu formi hafa marga mikilvæga kosti:
- Öryggi: blssúr raflausn óstöðugur og kviknar auðveldlega við háan hita. Ólíkt þeim eru raflausnir í föstu formi stöðugri og draga úr hættu á eldi eða sprengingu.
- Hærri orkuþéttleiki og hraðari hleðslutími: blsAukinn stöðugleiki þýðir að rafhlöður í föstu formi geta geymt 50% meiri orku en hliðstæða litíumjóna þeirra á meðan búist er við að þær nái 80% hleðslu innan 12 mínútna.
Vinstra megin sjáum við uppbyggingu litíumjónarafhlöðu og til hægri sjáum við uppbyggingu solid-state rafhlöðu.
3. Léttari þyngd og stærð: Þó að vökvinn inni í litíumjónarafhlöðum geri þær þyngri, gerir þétt uppbygging solid-state rafhlöður meiri orkuþéttleika á hverja flatarmálseiningu, sem þýðir að færri rafhlöður eru nauðsynlegar.
Munu solid-state rafhlöður skipta um litíumjónarafhlöður?
Í orði, já, eða það er að minnsta kosti þangað sem hlutirnir stefna. Reyndar eru margir bílaframleiðendur nú þegar að fjárfesta í þessari tækni, þar á meðal Volkswagen, Toyota, Ford og BMW. Hins vegar, í reynd, eru frumur af rafhlöðum í föstu formi framleiddar ein af annarri á rannsóknarstofum og til að koma þeim í fjöldaframleiðslu - dýrt og enn ófullnægjandi verkefni.
Erfitt er að þróa fastan raflausn sem væri bæði stöðugur, efnafræðilega óvirkur og góður jónaleiðari milli rafskautanna. Auk þess eru raflausnir of dýrir í framleiðslu og eru hætt við að sprunga vegna stökkleika þeirra þegar þeir eru stækkaðir og þjappaðir saman við notkun. En ef til vill mun það gerast þegar litíumjónarafhlöður verða smám saman hagkvæmari.
Hvaða rannsóknir hafa þegar verið gerðar?
Á undanförnum árum hafa verið gerðar margar áhugaverðar rannsóknir sem miða að því að leysa þetta vandamál. Vísindamenn MIT hafa þróað svokallaða blandaða jón-rafeindaleiðara (MIEC), auk rafeinda- og litíumjóna einangrunartækja (ELI). Það er þrívídd frumuarkitektúr með MIEC slöngum á nanóskala. Rörin eru fyllt með litíum, sem myndar rafskautið. Lykilatriði í þessari uppgötvun er að frumubyggingin gerir litíum kleift að stækka og dragast saman við hleðslu og losun. Þessi "öndun" rafhlöðunnar kemur í veg fyrir sprungur. Húðun á ELI slöngum virkar sem hindrun sem verndar þau fyrir föstu raflausn. Þetta er uppbygging rafhlöðu í föstu formi, sem bjargar okkur frá þörfinni á að bæta við hvaða vökva eða hlaupi sem er, og gerir okkur því kleift að forðast dendrites.
Fyrirtæki sem hringdi Jónageymslukerfi þróað ofurþunnt keramik raflausn um 10 míkrómetra þykkt, um það bil sömu þykkt og nútíma plastskiljur sem nota fljótandi raflausn. Hvor hlið keramik raflausnarinnar er húðuð með ofurþunnu lagi af áloxíði sem hjálpar til við að draga úr viðnám. Frumgerð rafhlöðunnar hefur orkugetu upp á um 300 Wh/kg og hægt er að hlaða hana á 5-10 mínútum. Til samanburðar: Nútíma NCA rafhlöður ná orkugetu upp á um 250 Wh/kg.
Á sýningunni CES á þessu ári sýndi Mecedes hugmyndabílinn AVTR, sem er gerður úr umhverfisvænum efnum, sem einnig er með fullkomlega endurvinnanlegri rafhlöðu. Í viðtali sagði Andreas Hintennach, yfirmaður rafhlöðurannsóknarstjóri Mercedes, að rafhlöðutæknin sé nú í prófun á rannsóknarstofu og verði tilbúin eftir 10-15 ár. CATL (kínverskur rafhlöðusamstarfsaðili Tesla) hefur einnig þróað sýnishorn af solid-state rafhlöðu, en þeir sögðu að hún komi ekki á markað fyrr en árið 2030.
Gert er ráð fyrir stöðugri framleiðslu á rafhlöðum í föstu formi verður lagað frá 2025, en upphaflega ekki í bílaiðnaðinum.
Lestu líka: