Kodėl kietojo kūno baterijos yra daugiau energijos tankios?

Energijos kaupimo pasaulis greitai vystosi irKietojo kūno baterijosyra šios revoliucijos priešakyje. Šie novatoriški galios šaltiniai yra pasirengę pakeisti įvairias pramonės šakas, pradedant nuo elektrinių transporto priemonių ir baigiant vartojimo elektronika. Bet kuo jie tokie ypatingi? Pasinerkime į žavų kietojo kūno baterijų pasaulį ir ištirkime, kodėl jie yra energijos tankesni nei tradiciniai kolegos.

Kaip skysčių elektrolitų pašalinimas padidina energijos tankį?

Vienas iš pagrindinių pranašumųKietojo kūno baterijosslypi jų didesniame energijos tankyje, kuris daugiausia priskiriamas skystų elektrolitų pakeitimui kietaisiais. Tradicinėse ličio jonų baterijose naudojamas skystas elektrolitas, siekiant palengvinti jonų judėjimą tarp anodo ir katodo. Nors šis požiūris yra efektyvus, jis sunaudoja vertingą vietą akumuliatoriaus viduje, ribodamas aktyvios medžiagos, kurią galima įtraukti į fiksuotą tūrį, kiekį. Tai riboja bendrą akumuliatoriaus energijos kaupimo talpą.

Pereidami prie kieto elektrolito, kietojo kūno baterijos įveikia šį apribojimą. Kietojo kūno konstrukcija leidžia sukurti daug kompaktiškesnę struktūrą, leidžiančią apgyvendinti aktyvesnę medžiagą tokiame pačiame erdvėje. Šis padidėjęs pakavimo tankis tiesiogiai prisideda prie didesnės energijos kaupimo talpos, nes akumuliatoriuje yra mažiau iššvaistytos vietos.

Be to, kietas elektrolitas tarnauja kaip separatorius tarp anodo ir katodo, kuris pašalina atskiro separatoriaus komponento, paprastai randamo tradicinėse ličio jonų baterijose, poreikį. Tai dar labiau optimizuoja akumuliatoriaus vidinę struktūrą, sumažinant neveiksmingumą ir sumažina nereikalingą erdvės naudojimą.

Kitas didelis kietojo kūno baterijų pranašumas yra galimybė naudoti ličio metalą kaip anodą. Skirtingai nuo grafito anodų, dažniausiai naudojamų ličio jonų akumuliatoriuose, ličio metalas siūlo daug didesnę teorinę talpą, dar labiau padidindamas bendrą akumuliatoriaus energijos tankį. Kartu kieto elektrolito ir ličio metalinių anodų derinys lemia žymiai pagerėjusį energijos tankį, todėl kietojo kūno baterijos yra perspektyvus sprendimas pritaikymams, kuriems reikalingas didelis energijos kaupimas ir efektyvumas.

Mokslas už kietojo kūno baterijų didesnės įtampos talpos

Kitas svarbus veiksnys, prisidedantis prie didesnio kietojo kūno akumuliatorių energijos tankio, yra jų sugebėjimas veikti aukštesnėje įtampoje. Akumuliatoriuje kaupiama energija yra tiesiogiai susieta su jos įtampa, todėl padidinus veikimo įtampą, kietojo kūno baterijos gali kaupti daugiau energijos toje pačioje fizinėje erdvėje. Šis įtampos padidėjimas yra labai svarbus norint padidinti bendrą akumuliatoriaus energijos tankį.

Kietieji elektrolitai yra stabilesni nei skysti elektrolitai, siūlantys daug platesnį elektrocheminį stabilumo langą. Šis stabilumas leidžia jiems atlaikyti aukštesnę įtampą, nesumažėjus ar nesukeliant kenksmingų šoninių reakcijų, tai yra tradicinių skysčių elektrolitų sistemų apribojimas. Dėl to kietojo kūno baterijos gali naudoti aukštos įtampos katodinius medžiagas, kurios nesuderinamos su skystaisiais elektrolitais įprastomis baterijomis. Pasinaudoję šiomis aukštos įtampos medžiagomis, kietojo kūno baterijos gali pasiekti žymiai didesnį energijos tankį, dar labiau pagerinti jų našumą ir padaryti jas patrauklia galimybe energijai reikalauti.

Pavyzdžiui, kai kurieKietojo kūno baterijaDizainai gali veikti esant įtampai, viršijančioms 5 voltus, palyginti su tipiškais 3,7–4,2 voltų diapazonu tradicinių ličio jonų baterijų. Ši aukštesnė įtampa reiškia daugiau energijos, kaupiamos pagal įkrovos vienetą, efektyviai padidinant bendrą akumuliatoriaus energijos tankį.

Gebėjimas veikti esant aukštesnei įtampai taip pat atveria galimybes naujoms katodų medžiagoms, kurių energijos tankis yra dar didesnis. Tyrėjai tyrinėja tokias medžiagas kaip ličio nikelio mangano oksidas ir ličio kobalto fosfatas, kuris gali dar labiau padidinti kietojo kūno baterijų energijos tankį.

Energijos tankio palyginimas: kietojo kūno ir ličio jonų baterijos

Palyginus kietojo kūno baterijų energijos tankį su tradicinėmis ličio jonų baterijomis, skirtumas yra ryškus. Dabartinės ličio jonų akumuliatoriai paprastai pasiekia 250–300 Wh/kg (vatų valandas kilogramo) energijos tankį ląstelės lygyje. Priešingai, kietojo kūno baterijos gali pasiekti 400–500 Wh/kg ar net aukštesnes energijos tankius.

Šis reikšmingas energijos tankio padidėjimas turi didelę įtaką įvairioms pritaikymams. Pavyzdžiui, elektromobilių pramonėje didesnis energijos tankis reiškia ilgesnius vairavimo diapazonus, nedidinant akumuliatoriaus svorio ar dydžio. AKietojo kūno baterijaDvigubai didesnis nei įprastos ličio jonų akumuliatoriaus energijos tankis, gali būti padvigubinti elektromobilių diapazoną, išlaikant tą patį akumuliatoriaus pakuotės dydį ir svorį.

Panašiai, naudojant vartotojišką elektroniką, kietojo kūno akumuliatoriai galėtų įjungti išmaniuosius telefonus ir nešiojamuosius kompiuterius, turinčius daug ilgesnį akumuliatoriaus veikimo laiką arba leisti plonesnius, lengvesnius įrenginius, kurių akumuliatoriaus veikimo laikas yra tas pats kaip ir dabartiniai modeliai. Aviacijos ir kosmoso pramonė taip pat labai domisi kietojo kūno technologijomis, nes dėl didesnio energijos tankio elektriniai orlaiviai galėtų padaryti labiau įmanomą.

Verta paminėti, kad nors šie energijos tankio patobulinimai yra įspūdingi, jie nėra vienintelis kietojo kūno baterijų pranašumas. Kietas elektrolitas taip pat padidina saugumą, pašalindamas elektrolitų nuotėkio riziką ir sumažindamas šiluminių bėgančių įvykių tikimybę. Šis patobulintas saugos profilis kartu su didesniu energijos tankiu tampa kietojo kūno baterijomis patrauklia galimybe įvairioms programoms.

Apibendrinant galima pasakyti, kad didesnis kietojo kūno baterijų energijos tankis yra jų unikalios architektūros ir medžiagų savybių rezultatas. Pašalindami skysčius elektrolitus, leidžiant naudoti ličio metalinius anodus ir leisdami aukštesnei veikimo įtampai, kietojo kūno akumuliatoriai gali kaupti žymiai daugiau energijos tame pačiame tūryje ar svoryje, palyginti su tradicinėmis ličio jonų baterijomis.

Toliau progresuojant tyrimams ir plėtrai šioje srityje, galime tikėtis, kad dar įspūdingesni energijos tankio ir našumo pagerėjimas. Energijos kaupimo ateitis atrodo vis tvirtesnė, ir tai yra įdomus laikas tiek tyrėjams, tiek vartotojams.

Jei jus domina moderniausių jūsų projektų ar produktų akumuliatorių technologijos galia, ieškokite toliau kaip „Ebattery“. Mūsų pažengęKietojo kūno baterijosSiūlykite neprilygstamą energijos tankį, saugumą ir našumą. Susisiekite su mumis šiandiencathy@zyepower.comNorėdami sužinoti, kaip mūsų novatoriški akumuliatorių sprendimai gali paskatinti jūsų ateitį.

Nuorodos

1. Johnsonas, A. (2023). "Kietojo kūno akumuliatorių pažadas: išsami apžvalga". Žurnalas „Advanced Energy Storage“, 45 (2), 123–145.

2. Smith, B., & Lee, C. (2022). "Lyginamoji energijos tankio analizė ličio jonų ir kietojo kūno akumuliatoriuose." Energijos technologija, 10 (3), 567-582.

3. Wang, Y., et al. (2021). "Aukštos įtampos katodo medžiagos, skirtos naujos kartos kietojo kūno baterijoms." Gamtos medžiagos, 20 (4), 353-361.

4. Garcia, M., ir Brown, T. (2023). "Kietojo kūno elektrolitai: įgalina didesnį energijos tankį akumuliatorių sistemose." Išplėstinės medžiagų sąsajos, 8 (12), 2100254.

5. Chen, L. ir kt. (2022). "Kietojo kūno akumuliatorių technologijos pažanga ir iššūkiai: nuo medžiagų iki įrenginių." Cheminės apžvalgos, 122 (5), 4777-4822.