Мощность мобильных технологий растет в геометрической прогрессии, но технологии аккумуляторов отстают. Мы приближаемся к физическим пределам того, на что способны обычные литий-ионные и литий-полимерные конструкции. Решением может стать твердотельный аккумулятор.
Что такое твердотельный аккумулятор?
В традиционной конструкции батареи - чаще всего литий-ионной - используются два твердых металлических электрода с жидкой литиевой солью, действующей в качестве электролита. Ионные частицы перемещаются от одного электрода (катода) к другому (аноду) по мере зарядки аккумулятора и в обратном направлении по мере его разряда. Жидкий электролит на основе литиевой соли является средой, которая позволяет это движение. Если вы когда-нибудь видели, чтобы батарея ржавела или была проколота, просачивающаяся (а иногда и взрывающаяся) «кислота из батареи» - это жидкий электролит.
В твердотельной батарее как положительный, так и отрицательный электроды и электролит между ними представляют собой твердые куски металла, сплава или другого синтетического материала. Термин «твердотельный» может напомнить вам о SSD-дисках с данными , и это не случайно. В твердотельных накопителях используется флэш-память, которая не перемещается, в отличие от стандартного жесткого диска, на котором данные хранятся на вращающемся магнитном диске, приводимом в действие крошечным мотором.
Хотя идея твердотельных аккумуляторов существует уже несколько десятилетий, успехи в их разработке только начинаются, и в настоящее время этому способствуют инвестиции компаний, производящих электронику, производителей автомобилей и промышленных предприятий.
Что лучше в твердотельных батареях?
Твердотельные батареи обещают несколько явных преимуществ перед своими собратьями, заполненными жидкостью: лучшее время автономной работы, более быстрое время зарядки и более безопасный опыт.
Твердотельные батареи сжимают анод, катод и электролит в три плоских слоя вместо того, чтобы подвешивать электроды в жидком электролите. Это означает, что вы можете сделать их меньше или, по крайней мере, более плоскими, сохраняя при этом столько же энергии, сколько и большая батарея на жидкой основе. Итак, если вы замените литий-ионную или литий-полимерную батарею в своем телефоне или ноутбуке твердотельной батареей того же размера, она будет заряжаться намного дольше. Как вариант, вы можете сделать устройство с таким же зарядом намного меньше или тоньше.
Твердотельные батареи также более безопасны, поскольку в них нет пролитой токсичной легковоспламеняющейся жидкости и они не выделяют столько тепла, как обычные аккумуляторные батареи. Применительно к батареям, питающим электронику или даже электромобили, они могли бы перезаряжаться намного быстрее - ионы могли бы гораздо быстрее перемещаться от катода к аноду.
Согласно последним исследованиям, твердотельная батарея может превзойти обычные аккумуляторные батареи на 500% или более с точки зрения емкости и заряжаться в десятую часть времени.
Какие недостатки?
Поскольку твердотельные батареи являются новой технологией, их производство невероятно дорогое. На самом деле настолько дороги, что на момент написания они не устанавливались ни в одной крупной потребительской электронике. В 2012, аналитики, пишущие для Департамента анализа программного обеспечения и передовой обработки материалов Университета Флориды По оценкам, производство типичной твердотельной батареи размером с сотовый телефон будет стоить около 15 000 долларов. Один достаточно большой, чтобы привести в действие электромобиль, будет стоить 100000 долларов.
Частично это связано с отсутствием эффекта масштаба - прямо сейчас ежегодно производятся сотни миллионов аккумуляторных батарей, поэтому стоимость производства материалов и оборудования распределяется по огромным линиям поставок. Лишь несколько компаний и университетов исследуют твердотельные батареи, поэтому стоимость производства каждой из них астрономическая.
Другой вопрос - материалы. Хотя свойства различных металлов, сплавов и солей металлов, используемых в обычных перезаряжаемых батареях, хорошо известны, в настоящее время нам неизвестен лучший химический и атомный состав твердого электролита между металлическими анодами и катодами. Текущие исследования сужают эту область, но нам необходимо собрать более надежные данные, прежде чем мы сможем собрать или синтезировать материалы и инвестировать в производственные процессы.
Когда я смогу использовать твердотельный аккумулятор?
Как и в случае со всеми появляющимися технологиями, попытки определить, когда вы их возьмете в руки, в лучшем случае являются предположениями.
Обнадеживает тот факт, что многие огромные корпорации инвестируют в исследования, необходимые для вывода твердотельных батарей на потребительский рынок, но, не решаясь сделать крупный прорыв в ближайшем будущем, трудно сказать, будет ли большой скачок вперед. Как минимум одна автомобильная компания говорит, что будет готов поставить его в автомобиль к 2023 году, но не догадывается, сколько может стоить этот автомобиль. Пять лет кажутся излишне оптимистичными; десять лет кажется более вероятным. Может пройти двадцать или более лет, прежде чем будут выбраны материалы и разработаны производственные процессы.
Но, как мы уже говорили в начале статьи, технология обычных аккумуляторов начинает бить по стенам. И нет ничего лучше потенциальных продаж, чтобы стимулировать исследования и разработки. По крайней мере, небольшая (очень, очень небольшая) вероятность того, что вы скоро сможете использовать гаджет или управлять автомобилем, работающим от твердотельной батареи.
Изображение предоставлено: Сухарас Вонгпет / Shutterstock, Даниэль Красон / Shutterstock
