Daugelį mus supančių technologijų laikome savaime suprantamu dalyku. Pavyzdžiui, telefonams skirti mikrokompiuteriai, kurie veikia be įkrovimo visą dieną. Bet noriu, kad telefonas be įkrovimo veiktų 3-4 dienas. Arba elektromobilis, galintis nuvažiuoti 1000 kilometrų, įkrauti per kelias minutes... ir kainuojantis pigiau nei automobilis su benzininiu varikliu. Bėgant metams buvo daug kalbama apie kietojo kūno baterijas, bet kaip viskas vyksta dabar? Ir kiek dar turime laukti kietojo kūno baterijos patekti į mūsų įrenginius?
Naujausias pavyzdys yra Toyota, kuri žiemos olimpinėse žaidynėse paskelbė apie kietojo akumuliatoriaus automobilį. Šiandien naudojamos ličio jonų baterijos, kad ir kokios puikios būtų, turi tam tikrų trūkumų, kuriuos bando išspręsti kietojo kūno baterijos.
Abiejų tipų elektrai gaminti naudojamas litis, o jų bendra struktūra yra gana panaši. Paprasčiau tariant, jie turi anodą (neigiamą elektrodą), katodą (teigiamą elektrodą) ir elektrolitą.
Pagrindinis jų skirtumas yra elektrolito būsenoje, kuri padeda perkelti jonus iš katodo į anodą įkrovimo metu ir atvirkščiai iškrovimo metu. Kitaip tariant, elektrolitas reguliuoja elektros srovės srautą tarp neigiamų ir teigiamų akumuliatoriaus pusių. Ličio jonų baterijose naudojami skysti elektrolitai, o kietojo kūno akumuliatoriuose, kaip rodo jų pavadinimas, naudojami ploni kieto elektrolito sluoksniai.
Kietieji elektrolitai turi keletą reikšmingų pranašumų:
Kairėje matome ličio jonų akumuliatoriaus struktūrą, o dešinėje – kietojo kūno akumuliatoriaus struktūrą.
3. Lengvesnis svoris ir dydis: nors ličio jonų akumuliatoriuose esantis skystis jas apsunkina, kompaktiška kietojo kūno akumuliatorių struktūra leidžia pasiekti didesnį energijos tankį ploto vienetui, o tai reiškia, kad reikia mažiau baterijų.
Teoriškai taip, arba bent jau ten viskas vyksta. Tiesą sakant, daugelis automobilių gamintojų jau investuoja į šią technologiją, įskaitant „Volkswagen“, „Toyota“, „Ford“ ir BMW. Tačiau praktikoje kietojo kūno baterijų elementai yra gaminami po vieną laboratorijose, o norint juos pristatyti į masinę gamybą - brangi ir dar nepakankamai išplėtota užduotis.
Sunku sukurti kietą elektrolitą, kuris būtų ir stabilus, ir chemiškai inertiškas, ir geras jonų laidininkas tarp elektrodų. Be to, elektrolitai yra per brangūs gaminti ir yra linkę įtrūkti dėl jų trapumo, kai jie plečiasi ir suspaudžiami naudojimo metu. Bet galbūt, kai ličio jonų akumuliatoriai pamažu taps prieinamesni, tai įvyks.
Pastaraisiais metais buvo atlikta daug įdomių tyrimų, kuriais buvo siekiama išspręsti šią problemą. MIT mokslininkai sukūrė vadinamuosius mišrius jonų-elektronų laidininkus (MIEC), taip pat elektroninius ir ličio jonų izoliatorius (ELI). Tai trimatė korinio architektūra su nanoskalės MIEC vamzdeliais. Vamzdžiai užpildyti ličiu, kuris sudaro anodą. Pagrindinė šio atradimo dalis yra ta, kad ląstelinė struktūra leidžia lčiui plėstis ir susitraukti įkrovimo ir iškrovimo metu. Toks akumuliatoriaus „kvėpavimas“ apsaugo nuo įtrūkimų. ELI vamzdžių danga veikia kaip barjeras, apsaugantis juos nuo kieto elektrolito. Tai yra kietojo kūno akumuliatoriaus struktūra, kuri apsaugo mus nuo būtinybės įpilti skysčio ar gelio ir todėl leidžia išvengti dendritų.
Paskambino įmonė Jonų saugojimo sistemos sukūrė itin ploną maždaug 10 mikrometrų storio keraminį elektrolitą, maždaug tokio pat storio kaip šiuolaikiniai plastikiniai separatoriai, kuriuose naudojami skysti elektrolitai. Kiekviena keraminio elektrolito pusė yra padengta itin plonu aliuminio oksido sluoksniu, kuris padeda sumažinti atsparumą. Akumuliatoriaus prototipo energijos talpa yra apie 300 Wh/kg, o įkraunama per 5-10 minučių. Palyginimui: šiuolaikinės NCA baterijos pasiekia apie 250 Wh/kg energijos talpą.
Parodoje CES šiemet „Mecedes“ demonstravo iš aplinkai nekenksmingų medžiagų pagamintą koncepcinį automobilį AVTR, kuriame taip pat yra pilnai perdirbama baterija. Interviu „Mercedes“ vyresnysis akumuliatorių tyrimų vadovas Andreasas Hintennachas teigė, kad akumuliatorių technologija šiuo metu yra laboratoriškai bandoma ir bus paruošta po 10–15 metų. CATL („Tesla“ baterijų partneris Kinijoje) taip pat sukūrė pavyzdinį kietojo kūno akumuliatorių, tačiau pranešė, kad jis rinkoje pasirodys tik 2030 m.
Numatoma nuolatinė kietojo kūno akumuliatorių gamyba bus sutvarkyta nuo 2025 m., bet iš pradžių ne automobilių pramonėje.
Taip pat skaitykite:
Palikti atsakymą