Как сделать

Что такое полупроводниковая батарея и решат ли они наши проблемы с временем автономной работы?

Мощность мобильных технологий растет в геометрической прогрессии, но технология батарей не идет в ногу. Мы достигаем физических пределов того, что могут делать обычные литий-ионные и литий-полимерные конструкции. Решением может быть то, что называется твердотельной батареей.

Что такое твердотельная батарея?

В обычной конструкции батареи, чаще всего литий-ионной, используются два твердых металлических электрода с жидкой солью лития, действующей в качестве электролита. Ионные частицы перемещаются от одного электрода (катода) к другому (аноду), когда батарея заряжается, и наоборот, когда она разряжается. Жидкий электролит соли лития — среда, которая позволяет этому движению. Если вы когда-либо видели, как батарея разъедает или прокалывается, «кислотой батареи», которая выделяется (или иногда взрывается), является жидкий электролит.

В твердотельной батарее положительный и отрицательный электроды и электролит между ними представляют собой твердые кусочки металла, сплава или какого-либо другого синтетического материала. Термин «твердотельный» может напоминать вам о накопителях данных SSD , и это не случайно. Твердотельные накопители используют флэш-память, которая не перемещается, в отличие от стандартного жесткого диска, который хранит данные на вращающемся магнитном диске, питаемом от крошечного двигателя.

Хотя идея твердотельных аккумуляторов существует уже несколько десятилетий, успехи в их разработке только начинаются, и в настоящее время их стимулируют инвестиции со стороны компаний, занимающихся электроникой, автопроизводителей и поставщиков общепромышленного оборудования.

Что лучше о твердотельных батареях?

Твердотельные батареи обещают несколько явных преимуществ по сравнению со своими двоюродными братьями, наполненными жидкостью: лучшее время автономной работы, более быстрое время зарядки и более безопасное использование.

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 большая батарея на жидкой основе. Таким образом, если вы замените литий-ионную или литий-полимерную батарею в своем телефоне или ноутбуке на твердотельную батарею того же размера, заряд батареи будет намного больше. Кроме того, вы можете сделать устройство, которое держит тот же заряд намного меньше или тоньше.

Твердотельные батареи также более безопасны, так как нет токсичных, легковоспламеняющихся жидкостей для разлива, и они не выделяют столько тепла, сколько обычные аккумуляторные батареи. Применительно к батареям, которые питают ток электроники или даже электромобили, они также могут заряжаться намного быстрее — ионы могут перемещаться гораздо быстрее от катода к аноду.

Согласно последним исследованиям, твердотельная батарея может превосходить обычные перезаряжаемые батареи на 500% и более по емкости и заряжаться в десятой части времени.

Каковы недостатки?

Поскольку твердотельные батареи представляют собой новую технологию, их производство невероятно дорого. На самом деле настолько дорогой, что на момент написания статьи они не были установлены ни в одной крупной бытовой электронике. В 2012 году аналитики из отдела анализа программного обеспечения и обработки передовых материалов Университета Флориды подсчитали, что стоимость изготовления обычной твердотельной батареи размером с сотовый телефон составит около 15 000 долларов. Один достаточно большой для питания электромобиля обойдется в 100 000 долларов.

Создание твердотельной батареи, достаточно большой для питания вашего телефона, стоит сегодня тысячи долларов.

Частично это связано с тем, что эффект масштаба не достигнут — сотни миллионов перезаряжаемых аккумуляторов производятся каждый год прямо сейчас, поэтому стоимость производства материалов и оборудования распределена по огромным линиям поставок. Есть только несколько компаний и университетов, занимающихся исследованием твердотельных батарей, поэтому стоимость производства каждой из них является астрономической.

Еще одна проблема — материалы. Хотя свойства различных металлов, сплавов и солей металлов, используемых для обычных аккумуляторных батарей, хорошо известны, в настоящее время мы не знаем лучшего химического и атомного состава твердого электролита между металлическими анодами и катодами. Текущие исследования сужают это, но нам нужно собрать более надежные данные, прежде чем мы сможем собирать или синтезировать материалы и инвестировать в производственные процессы.

Когда я смогу использовать твердотельный аккумулятор?

Как и во всех новых технологиях, попытка выяснить, когда вы получите в свои руки это в лучшем случае догадки.

Обнадеживает тот факт, что многие огромные корпорации вкладывают средства в исследования, необходимые для вывода твердотельных батарей на потребительский рынок, но, опасаясь крупного прорыва в ближайшем будущем, трудно сказать, произойдет ли большой скачок вперед. По крайней мере, одна автомобильная компания заявляет, что будет готова поставить ее в автомобиль к 2023 году, но не догадывается, сколько может стоить этот автомобиль. Пять лет кажутся чрезмерно оптимистичными; десять лет кажутся более вероятными. Может пройти двадцать или более лет, прежде чем материалы будут рассчитаны и разработаны производственные процессы.

Но, как мы уже говорили в начале статьи, обычная технология батарей начинает бить о стену. И нет ничего лучше, чем потенциальные продажи, стимулирующие исследования и разработки. По крайней мере, немного (очень, очень немного) возможно, что вы скоро сможете использовать гаджет или водить автомобиль, работающий на твердотельной батарее.

Изображение предоставлено: Сучарас Вонгпет / Shutterstock, Даниэль Красон / Shutterstock

Похожие посты
Как сделать

Как получить возмещение за покупки в iTunes или App Store

Как сделать

Поверхностное перо не работает? Вот как это исправить

Как сделать

Как настроить и использовать Fire TV Recast

Как сделать

Как изменить рингтон по умолчанию на вашем iPhone