Bateria litowo-jonowa a bateria półprzewodnikowa

Bateria litowo-jonowa a bateria półprzewodnikowa

Baterie litowo-jonowe i baterie półprzewodnikowe to dwie główne opcje zasilania przenośnych urządzeń elektronicznych. Te dwa rodzaje baterii mają wyraźne zalety i wady. Oto przegląd każdego z nich. Jeśli nie masz pewności, który typ jest lepszy, czytaj dalej.

Baterie półprzewodnikowe

Chociaż baterie litowo-jonowe nie są nowe, technologia jest wciąż w powijakach. Na przykład Toyota prowadzi obecnie badania eksperymentalne w tej dziedzinie, aby zachować konkurencyjność na rynku pojazdów elektrycznych. Volkswagen rozpoczął również współpracę z małymi firmami technologicznymi w celu opracowania akumulatorów półprzewodnikowych do zastosowań motoryzacyjnych.

Baterie półprzewodnikowe mogą potencjalnie uprościć wewnętrzną strukturę i opakowanie baterii. Może to obniżyć koszty produkcji. Naukowcy zbadają to potencjalne zastosowanie za pomocą równań różniczkowych do modelowania akumulatorów półprzewodnikowych. Na początek naukowcy przeanalizują opublikowaną literaturę dotyczącą modeli baterii. Powstałe modele pozwolą im określić charakterystykę wydajności baterii półprzewodnikowej.

Akumulator litowo-jonowy ma konstrukcję dwufazową, w której jeden lub więcej stałych elektrolitów oddziela ciecz od ciała stałego. Ten projekt ma kilka zalet. Stosowanie elektrolitu hybrydowego zapewnia dodatkowe korzyści, takie jak zwiększona stabilność przez dłuższy czas. Stały elektrolit polimerowy ma również przewagę nad czystym ciekłym elektrolitem.

Baterie litowo-jonowe półprzewodnikowe są w stanie przechowywać duże ilości energii, co czyni je dobrym kandydatem na przyszłe urządzenia do przechowywania energii. Baterie te mają wyższą gęstość energii i doskonałe parametry bezpieczeństwa. Ich największe wyzwanie leży na styku elektrolitu stałego i elektrody. Ważne jest, aby zrozumieć, w jaki sposób tworzy się warstwa interfejsu i jak rozwiązać ten problem.

Baterie litowo-jonowe

W porównaniu do akumulatorów półprzewodnikowych akumulatory litowo-jonowe są lekkie, trwałe i mogą działać lepiej w opakowaniach do układania w stosy. Mogą jednak być niestabilne i mogą eksplodować lub powodować pożary, jeśli zostaną wystawione na działanie wysokich temperatur. To powiedziawszy, akumulatory litowo-jonowe są najbezpieczniejszą i najbardziej niezawodną opcją dla e-mobilności.

Ponieważ pojazdy elektryczne stają się coraz bardziej popularne, branża koncentruje się na poprawie wydajności akumulatorów. Podczas gdy akumulatory litowo-jonowe od dawna są dominującą opcją, nowsze akumulatory półprzewodnikowe mogą wkrótce przejąć prowadzenie w technologii pojazdów elektrycznych. Baterie półprzewodnikowe mają wyższą gęstość energii i mogą zwiększyć zasięg pojazdu o pięćdziesiąt do stu procent.

Akumulatory litowo-jonowe zawierają płynne elektrolity, podczas gdy akumulatory półprzewodnikowe składają się z materiałów stałych. Główna różnica między tymi dwoma typami polega na sposobie przechowywania elektrolitów. Baterie półprzewodnikowe są bardziej stabilne niż baterie litowo-jonowe i mogą być nawet 2.5 razy wydajniejsze niż ich płynne odpowiedniki.

Baterie półprzewodnikowe mogą być droższe niż baterie litowo-jonowe. Wiadomo również, że cierpią na zwarcia. Wynika to z faktu, że ich cząsteczki litu metalicznego mogą gromadzić się po jednej stronie baterii. Ten dendryt przebije separator, powodując zwarcie.

Akumulatory litowo-jonowe zawierają płynne elektrolity, które mogą być lotne i łatwopalne. Baterie półprzewodnikowe nie zawierają składników płynnych, dzięki czemu mają mniejsze ryzyko pożaru niż baterie litowo-jonowe. Wymagają również mniej systemów bezpieczeństwa niż akumulatory litowo-jonowe. Baterie półprzewodnikowe oferują również wyższą gęstość energii.

Akumulatory ciekło-jonowe

Akumulatory płynowo-jonowe to doskonały wybór do pojazdów elektrycznych, ponieważ są łatwe w przechowywaniu i rozładowywaniu. Mają jednak pewne wady. Akumulatory litowo-jonowe mogą wytworzyć stan zwany niestabilną temperaturą, który pojawia się, gdy pojedyncze ogniwo w akumulatorze zaczyna się nagrzewać i powoduje, że inne ogniwa w zestawie podążają za tym przykładem. Ostatecznie powoduje to pożar wewnątrz akumulatora, który może być trudny do ugaszenia. Akumulatory litowo-jonowe mają również tendencję do wyciekania elektrolitu, który jest bardzo łatwopalny. W związku z tym akumulatory te należy naładować przed użyciem.

Baterie półprzewodnikowe mają też swoje wady. Chociaż są znacznie lżejsze i bardziej kompaktowe niż akumulatory litowo-jonowe, nie są tak trwałe jak tradycyjne akumulatory. Ponadto są mniej wydajne w ekstremalnych temperaturach, przez co są mniej przydatne w pojazdach. Ponadto mogą być bardziej niestabilne i mogą powodować pożary i wybuchy.

Baterie półprzewodnikowe mają również tę zaletę, że są bardziej energochłonne. Mają dwu- lub trzykrotnie większą gęstość energii niż akumulatory litowo-jonowe. Oznaczałoby to, że byłyby mniejsze i lżejsze, co mogłoby być korzystne dla konsumentów. Ponadto mogą dać pojazdom EV większy zasięg. To może być świetna rzecz dla środowiska.

Baterie półprzewodnikowe oferują również większą pojemność. Chociaż są jeszcze w fazie eksperymentalnej, są w stanie zmagazynować więcej energii niż ich odpowiedniki w postaci płynnych jonów. Niektórzy producenci samochodów, w tym Toyota i Volkswagen, inwestują ogromne pieniądze w rozwój akumulatorów półprzewodnikowych do pojazdów. Niektóre z tych firm planują obecnie wprowadzenie tej technologii na rynek masowy do końca 2024 roku.

Elektrolit w akumulatorze litowo-jonowym

Naukowcy wciąż poszukują idealnego akumulatora litowo-jonowego. Chcą, aby miał wysoką gęstość energii, a także był bezpieczny w użyciu. Wiele obecnie używanych akumulatorów zawiera płynne elektrolity, które mogą być łatwopalne. Akumulatory litowo-jonowe półprzewodnikowe są w całości wykonane z solidnych komponentów i mogą być bezpieczniejsze w użyciu. Nowe badania doprowadziły do ​​opracowania nowego elektrolitu stałego.

Jedną z zalet akumulatorów półprzewodnikowych jest ich wydajność w niskich temperaturach. Elektrolity ciekłe nie tolerują wysokich temperatur, ale elektrolity stałe mogą. Stały elektrolit umożliwia również szybkie ładowanie bez degradacji. Wytwarzanie wymaga również mniej materiału i energii. Baterie półprzewodnikowe można udowodnić tylko wtedy, gdy mogą być produkowane masowo.

Baterie litowe półprzewodnikowe mają podobny mechanizm ekstrakcji jak baterie litowo-jonowe. Elektrody są wykonane z metalu, a elektrolit jest materiałem ciekłym lub stałym. Jony litu przechodzą przez elektrolit, co powoduje przepływ elektryczny.

Elektrolity stałe nie wymagają separatora.

Kolejną wadą akumulatorów półprzewodnikowych jest ich wysoki koszt. Chociaż są tańsze niż baterie w stanie ciekłym, nie są jeszcze produkowane masowo. Stały elektrolit musi być chemicznie obojętny i być dobrym przewodnikiem jonów między dwiema elektrodami. Inną wadą akumulatorów półprzewodnikowych jest to, że mają krótszy cykl życia niż ich odpowiedniki w stanie ciekłym.

Anoda w akumulatorze litowo-jonowym

Uważa się, że baterie litowe półprzewodnikowe mają mniejsze ryzyko pożaru i wymagają mniej sprzętu zabezpieczającego. Mają również tę zaletę, że mogą używać anod litowo-metalowych dla wysokiej gęstości energii. Obecnie ponad pięćdziesiąt firm prowadzi badania i rozwój akumulatorów półprzewodnikowych. Niektórzy nawet wskazali, że opracowują własne technologie elektrolitów w stanie stałym. Producenci samochodów i duzi producenci akumulatorów również zainwestowali w tę nową technologię.

Główną wadą akumulatorów półprzewodnikowych jest niestabilność międzyfazowa elektrody i elektrolitu. Prowadzi to do pasywacji warstwy pośredniej i utrudnia dyfuzję Li+ przez granicę międzyfazową elektroda-SSE. Ponadto cykle wysokiego napięcia mogą degradować SSE, powodując jego utlenianie.

Grafit w przeszłości służył jako anoda do akumulatorów litowo-jonowych, ale firmy rozpoczynające działalność opracowują obecnie alternatywy, które są bardziej wydajne. Krzem, powszechny materiał pierwotny stosowany w akumulatorach litowo-jonowych, ma znacznie wyższą gęstość energii na objętość niż grafit.

Anody litowo-metalowe stają się również dostępne dla półprzewodnikowych baterii litowych. Można wytwarzać anody litowo-metalowe o wysokiej gęstości energii i zwiększonej wydajności.