المحتوى

• توفير الفضاء
• حياة أطول تمتد
• أنواع الشوارد الحالة الصلبة
• بطاريات الأغشية الرقيقة
• بطاريات أكبر وأكبر
• موصل للغاية
• يتم إحتوائه

منذ أسبوعين ، قدمنا ​​كريس إلى موضوع بطاريات الحالة الصلبة وكيف يمكن أن يكون التقدم الرئيسي التالي في تكنولوجيا بطارية الهاتف الذكي. باختصار ، تعد بطاريات الحالة الصلبة أكثر أمانًا ، ويمكن أن تحتوي على عدد أكبر من العصائر ، ويمكن استخدامها للأجهزة الأكثر نحافة. لسوء الحظ ، يعد إدخالها في خلايا الهواتف الذكية متوسطة الحجم باهظ التكلفة ، لكن هذا قد يتغير في السنوات القادمة.

لذلك ، إذا كنت تتساءل عن بطارية الحالة الصلبة بالضبط وكيف تختلف عن خلايا الليثيوم أيون الحالية ، فاقرأ على.

يتمثل الاختلاف الرئيسي بين بطارية ليثيوم أيون شائعة الاستخدام وبطارية الحالة الصلبة في أن الأولى تستخدم محلول كهربي سائل لتنظيم تدفق التيار ، في حين تختار بطاريات الحالة الصلبة إلكتروليت صلب. المنحل بالكهرباء في البطارية هو مزيج كيميائي موصل يسمح بتدفق التيار بين الأنود والكاثود.

لا تزال بطاريات الحالة الصلبة تعمل بنفس الطريقة التي تعمل بها البطاريات الحالية ، لكن التغيير في المواد يغير بعض سمات البطارية ، بما في ذلك سعة التخزين القصوى وأوقات الشحن والحجم والسلامة.

يمر التيار داخل البطارية بين الأنود والكاثود من خلال المنحل بالكهرباء الموصلة ، بينما يتم استخدام الفواصل لمنع حدوث ماس كهربائي.

توفير الفضاء

الفائدة المباشرة للتحول من السائل إلى المنحل بالكهرباء الصلب هي أن كثافة طاقة البطارية يمكن أن تزيد. هذا لأنه بدلاً من طلب فواصل كبيرة بين الخلايا السائلة ، لا تتطلب بطاريات الحالة الصلبة سوى حواجز رقيقة جدًا لمنع حدوث ماس كهربائي.

يمكن للبطاريات ذات الحالة الصلبة أن تحزم ضعف طاقة Li-ion

تأتي فواصل البطارية التقليدية المنقوعة بالسائل بسمك 20-30 ميكرون. يمكن أن تقلل تقنية الحالة الصلبة الفواصل وصولاً إلى 3-4 ميكرونات ، مما يوفر مساحة 7 أضعاف تقريبًا عن طريق تبديل المواد.

ومع ذلك ، فإن هذه الفواصل ليست المكون الوحيد داخل البطارية ، ولا يمكن أن تنقص وحدات البت الأخرى قدر الإمكان ، مما يضع حدًا لإمكانات توفير الطاقة في بطاريات الحالة الصلبة.

على الرغم من ذلك ، يمكن أن تصل طاقة البطاريات ذات الحالة الصلبة إلى ضعف طاقة Li-ion ، عند استبدال الأنود ببديل أصغر أيضًا.

حياة أطول تمتد

عادةً ما تكون إلكتروليت الحالة الصلبة أقل تفاعلًا من السائل أو هلام اليوم ، لذلك يمكن توقع استمرارها لفترة أطول ولن تحتاج إلى استبدال بعد عامين أو ثلاثة أعوام فقط. هذا يعني أيضًا أن هذه البطاريات لن تنفجر أو تشتعل فيها النيران إذا كانت تالفة أو تعاني من عيوب في التصنيع ، مما يعني منتجات أكثر أمانًا للمستهلكين.

لن تنفجر بطاريات الحالة الصلبة أو تشتعل فيها النيران إذا كانت تالفة أو تعاني من عيوب في التصنيع.

في الهواتف الذكية الحالية ، غالبًا ما يتم البحث عن البطاريات القابلة للاستبدال لأولئك الذين يتطلعون إلى استخدام نفس الهاتف لسنوات عديدة ، حيث يمكن استبدالها بمجرد بدء تعطلها.

غالبًا لا تحتفظ بطاريات الهواتف الذكية بشحنها أيضًا بعد عام أو نحو ذلك ، وقد تتسبب في أن تصبح الأجهزة غير مستقرة أو إعادة التعيين أو حتى تتوقف عن العمل بعد عدة سنوات من الاستخدام. مع بطاريات الحالة الصلبة ، قد تستمر الهواتف الذكية وغيرها من الأدوات الذكية لفترة أطول دون الحاجة إلى خلية بديلة.

هناك الكثير من المركبات الكيميائية الصلبة التي يمكن استخدامها في البطاريات ، وليس واحدة فقط.

الحديث عن السائل والبطاريات الصلبة هو تبسيط مفرط للموضوع ، لأن هناك الكثير من المركبات الكيميائية الصلبة التي يمكن استخدامها في البطاريات ، وليس واحدة فقط.

أنواع الشوارد الحالة الصلبة

هناك ثماني فئات رئيسية مختلفة من بطاريات الحالة الصلبة ، والتي تستخدم كل منها مواد مختلفة للكهارل. هذه هي Li-Halide و Perovskite و Li-Hydride و NASICON like و Garnet و Argyrodite و LiPON و LISICON-like.

نظرًا لأننا لا نزال نتعامل مع تقنية ناشئة ، لا يزال الباحثون يستوعبون أفضل أنواع الكهارل الصلب الحالة لاستخدامها في فئات المنتجات المختلفة. لم يظهر أي منهم كقادة واضحين حتى الآن ، لكن الخلايا المستندة إلى كبريتيد ، و LiPON ، و Garnet تعتبر حاليًا الأكثر واعدة.

ربما لاحظت أن العديد من هذه الأنواع لا تزال تعتمد على الليثيوم (Li) في بعض الجوانب ، لأنها لا تزال تستخدم أقطاب الليثيوم. لكن الكثيرين يختارون مواد القطب الموجب والأنود لتحسين الأداء.

بطاريات الأغشية الرقيقة

حتى داخل أنواع البطاريات ذات الحالة الصلبة ، هناك نوعان فرعيان من القطع الواضحة - فيلم رقيق وبكميات كبيرة. أحد أنواع الأفلام الرقيقة الأكثر نجاحًا الموجودة بالفعل في السوق هو LiPON ، والتي تنتجها غالبية الشركات المصنعة باستخدام أنود الليثيوم.

يوفر المنحل بالكهرباء LiPON سمات ممتازة للوزن والسماكة وحتى المرونة ، مما يجعله نوعًا واعًا من الخلايا للإلكترونيات والأجهزة التي يمكن ارتداؤها والتي تتطلب خلايا صغيرة. بالعودة إلى موضوع الخلايا الأطول أمداً ، أثبتت LiPON أيضًا ثباتًا ممتازًا مع تقليل السعة بنسبة 5٪ فقط بعد 40،000 دورة شحن.

يمكن أن تدوم بطاريات LiPON في أي مكان ما بين 40 إلى 130 مرة أطول من بطاريات Li-ion قبل أن تحتاج إلى استبدال.

للمقارنة ، لا تقدم بطاريات الليثيوم أيون إلا ما بين 300 و 1000 دورة قبل إظهار انخفاض مماثل أو أكبر في السعة. هذا يعني أن بطاريات LiPON قد تدوم ما بين 40 إلى 130 مرة أطول من بطاريات Li-ion قبل أن تحتاج إلى استبدال.

الجانب السلبي لليبون هو أن إجمالي سعة تخزين الطاقة والموصلية ضعيفة إلى حد ما بالمقارنة. ومع ذلك ، يمكن أن تكون التقنيات البديلة للبطاريات ذات الحالة الصلبة هي المفتاح لإطالة عمر البطارية للساعات الذكية ، وهو ما يمنع حاليًا عددًا من العملاء من التقاط أجهزة يمكن ارتداؤها.

بطاريات أكبر وأكبر

حتى الآن ، ليست بطاريات الحالة الصلبة مناسبة للخلايا الأكبر حجمًا الموجودة في الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية ، ناهيك عن أجهزة الكمبيوتر المحمولة أو السيارات الكهربائية. بالنسبة للبطاريات الكبيرة الحجم ذات الحالة الصلبة ذات السعة الأكبر ، يلزم التوصيل الفائق الذي يقترب من الشوارد السائلة أو يطابقها ، مما يستبعد التقنيات الواعدة على خلاف ذلك مثل LiPON. يقيس التوصيل الأيوني قدرة الأيونات على الحركة عبر مادة ما ، والتوصيل الجيد هو مطلب للخلايا الكبيرة لضمان التيار المطلوب.

لقد تخطت LISICON و LiPS الأبحاث في بطاريات LiPO و LiS و SiS ، وهما القادة السابقون في مجال الحالة الصلبة. ومع ذلك ، لا تزال هذه الأنواع تعاني من انخفاض الموصلية من الشوارد العضوية والسائلة في درجة حرارة الغرفة ، مما يجعلها غير عملية بالنسبة للمنتجات التجارية.

موصل للغاية

هذا هو المكان الذي يأتي فيه البحث في الشوارد بأكسيد العقيق (LLZO) ، حيث أنه يتميز بتوصيلية أيونية عالية في درجة حرارة الغرفة.

تحقق المادة توصيلًا لا يتأخر إلا قليلاً عن النتائج التي توفرها خلايا أيونات الليثيوم السائلة ، وتشير دراسات جديدة إلى LGPS إلى أن هذه المادة يمكن أن تتطابق معها.

هذا من شأنه أن يعني بطاريات الحالة الصلبة ذات القدرة والقدرة المتساوية تقريبًا مثل خلايا Li-ion الحالية ، في حين أن رؤية فوائد مثل خفض الحجم وعمر أطول تصبح حقيقة واقعة.

Garnet مستقرة أيضًا في الهواء والماء ، مما يجعلها مناسبة لبطاريات Li-Air أيضًا. لسوء الحظ ، يجب تصنيعها باستخدام عملية تلبيد باهظة الثمن.

هذا يجعلها حاليًا اقتراحًا غير جذاب للاستخدام في البطاريات الاستهلاكية عند مقارنتها بالتكلفة المنخفضة لخلايا الليثيوم أيون. في المستقبل ، من المرجح أن تنخفض التكاليف مع تحسين تقنيات التصنيع ، لكننا ما زلنا بعيدين عن بطارية الحالة الصلبة التجارية.

يتم إحتوائه

من الواضح أنه لا يزال هناك الكثير من الأبحاث المستمرة في تكنولوجيا البطاريات ذات الحالة الصلبة. لن نرى الخلايا الناضجة تشق طريقها إلى المنتجات الاستهلاكية مثل الهواتف الذكية لمدة 4 أو 5 سنوات أخرى ، وفقًا للتنبؤات المبكرة. قد تظهر بطاريات الحالة الصلبة في الأجهزة الأخرى (مثل الطائرات بدون طيار) في أقرب وقت من العام المقبل.

ومع ذلك ، فإن أحدث الأبحاث تُنتج أخيرًا نتائج يمكن أن تتنافس مع بطاريات الليثيوم الموجودة من حيث السمات ، مع توفير فوائد شوارد الحالة الصلبة أيضًا. كل ما نحتاج إليه هو أن تنضج عمليات التصنيع ، وهناك عدد من الشركات المصنعة للبطاريات الكبيرة والقادمة مع الموارد اللازمة لجعل هذا حقيقة واقعة.

باختصار ، الفوائد الرئيسية لكل هذه الاختلافات الكيميائية من منظور المستهلك هي: شحن أسرع بمعدل يصل إلى 6 مرات ، ما يصل إلى ضعف كثافة الطاقة ، وعمر دورة أطول يصل إلى 10 سنوات مقارنة بعامين ، وعدم وجود مكونات قابلة للاشتعال. سيكون ذلك بالتأكيد بمثابة نعمة للهواتف الذكية وغيرها من الأدوات المحمولة.