Čo je tuhá batéria a vyriešia naše problémy s výdržou batérie?

Mobilná technológia sa exponenciálne zvyšuje, ale technológia batérií sa neustále drží. Dosiahli sme fyzické hranice toho, čo konvenčné lítium-iónové a lítium-polymérové ​​vzory môžu robiť. Riešením môže byť niečo, čo sa nazýva pevná batéria.

Čo je to pevná batéria?

Pri klasickom dizajne batérií - najčastejšie lítium-ión - sa používajú dve pevné kovové elektródy s kvapalnou lítiovou soľou pôsobiacou ako elektrolyt. Iónové častice sa pohybujú z jednej elektródy (katódy) do druhej (anóda) ako nabíjanie batérie a opačne, keď sa vybíja. Kvapalný elektrolyt s lítiovou soľou je médium, ktoré umožňuje tento pohyb. Ak ste niekedy videli poškodenie batérie alebo jej prepichnutie, "kyselina akumulátora", ktorá vyteká (alebo niekedy exploduje) je kvapalný elektrolyt.

V pevnej batérii sú pozitívne aj negatívne elektródy a elektrolyt medzi nimi pevné kusy kovu, zliatiny alebo iného syntetického materiálu. Termín "solid-state" môže pripomínať SSD dátové mechanizmy a to nie je náhoda. Pevné disky na ukladanie dát používajú flash pamäť, ktorá sa nepohybuje, na rozdiel od štandardného pevného disku, ktorý uchováva dáta na magnetickom disku, ktorý sa otáča, poháňaný malým motorom.

Napriek tomu, že myšlienka pevných batérií je už desiatky rokov, pokroky v ich vývoji práve začínajú, v súčasnosti podnecujú investície elektronických firiem, výrobcov áut a všeobecných priemyselných dodávateľov.

Čo je lepšie o pevných batériách?

Pevné batérie sľubujú niekoľko výrazných výhod oproti svojim bratrancom naplneným kvapalinou: lepšia životnosť batérie, rýchlejšie nabíjacie časy a bezpečnejší zážitok.

Batérie v pevnom stave komprimujú anódu, katódu a elektrolyt do troch rovinných vrstiev namiesto zavesenia elektród do tekutého elektrolytu. To znamená, že ich môžete meniť - alebo prinajmenšom plochejšie - zatiaľ čo držíte toľko energie ako väčšia batéria založená na kvapalinách. Takže ak ste v telefóne alebo notebooku vymenili lítium-iónovú alebo lítium-polymérovú batériu s pevnou batériou rovnakej veľkosti, získali by oveľa dlhšie nabíjanie. Prípadne môžete zariadenie, ktoré má rovnaký náboj, oveľa menšie alebo tenšie.

Pevné batérie sú tiež bezpečnejšie, pretože tam nie je žiadna toxická, horľavá kvapalina na rozliatie, a nevyžadujú toľko tepla ako konvenčné dobíjateľné batérie. Pri použití na batérie, ktoré napájajú súčasnú elektroniku alebo dokonca elektrické autá, môžu sa nabíjať oveľa rýchlejšie, ióny by sa mohli pohybovať oveľa rýchlejšie od katódy k anóde.

Podľa najnovšieho výskumu by tučná batéria mohla prekonať bežné nabíjateľné batérie o 500% alebo viac z hľadiska kapacity a za desatinu času ju nabiť.

Aké sú nevýhody?

Pretože pevné batérie sú vznikajúcou technológiou, sú neuveriteľne drahé na výrobu. Tak drahé, v skutočnosti, že nie sú inštalované v žiadnej významnej spotrebnej elektroniky v čase písania. V roku 2012 analytici, ktorí píšu na oddelení softvérovej analýzy a spracovania pokročilých materiálov University of Florida, odhadujú, že typická batéria s pevnou batériou veľkosti mobilného telefónu by stála približne 15 000 dolárov na výrobu. Jeden veľký na to, aby mohol poháňať elektrický automobil, by stálo 100 000 dolárov.

Vytvorenie pevnej batérie dostatočne veľkej na to, aby telefón napájal, stojí dnes tisíce dolárov.

Časť z toho je, že úspory z rozsahu nie sú na mieste - stovky miliónov nabíjateľných batérií sa robí každý rok práve teraz, takže výrobné náklady na materiály a zariadenia sú rozložené cez obrovské zásobovacie vedenia. Existuje len málo spoločností a univerzít, ktoré sa zaoberajú výskumom pevných batérií, takže náklady na výrobu každého z nich sú astronomické.

Ďalšou otázkou sú materiály. Zatiaľ čo vlastnosti rôznych kovov, zliatin a kovových solí, ktoré sa používajú pri bežných dobíjateľných batériách, sú dobre známe, v súčasnosti nepoznáme najlepšiu chemickú a atómovú kompozíciu pre pevný elektrolyt medzi kovovými anódami a katódami. Súčasný výskum to znižuje, ale musíme zhromaždiť spoľahlivejšie údaje, než budeme môcť zhromažďovať alebo syntetizovať materiály a investovať do výrobných procesov.

Kedy budem používať pevnú batériu?

Rovnako ako pri všetkých nových technológiách, snaží sa zistiť, kedy dostanete svoje ruky, je to najlepšie odhadnutie.

Je povzbudivé, že mnohé obrovské korporácie investujú do výskumu, ktorý je potrebný na to, aby sa spotrebiteľský trh dostal do pevných batérií, ale v blízkej budúcnosti sa vyhne veľkému prelomu, je ťažké povedať, či dôjde k veľkému skoku. Prinajmenšom jedna automobilová spoločnosť tvrdí, že bude pripravená vložiť vozidlo do vozidla do roku 2023, ale nevie, koľko to auto môže stáť. Päť rokov sa zdá byť príliš optimistické; desať rokov sa zdá byť pravdepodobnejšie. Môže to trvať dvadsať rokov alebo viac predtým, ako sa materiály usadzujú a výrobné postupy sa vyvíjajú.

Ale ako sme povedali na začiatku tohto článku, bežná technológia batérie sa začína zasahovať do steny. A neexistuje nič, čo by mohlo viesť k výskumu a vývoju. Je to prinajmenšom mierne (veľmi, veľmi mierne) možné, že budete môcť použiť gadget alebo riadiť auto poháňané pevnou batériou čoskoro.

Image kredit: Sucharas Wongpeth / Shutterstock, Daniel Krason / Shutterstock