Co to jest bateria litowo-jonowa i czy rozwiążą nasze problemy z akumulatorem?

Technologia mobilna rośnie wykładniczo, ale technologia baterii nie nadąża. Osiągamy fizyczne ograniczenia tego, co mogą zrobić konwencjonalne konstrukcje litowo-jonowe i litowo-polimerowe. Rozwiązaniem może być coś, co nazywa się baterią półprzewodnikową.

Co to jest bateria półprzewodnikowa?

W konwencjonalnej konstrukcji baterii - najczęściej litowo-jonowych - stosuje się dwie stałe elektrody metalowe z ciekłą solą litową działającą jako elektrolit. Cząstki jonowe przesuwają się z jednej elektrody (katody) na drugą (anoda) podczas ładowania akumulatora, a podczas odwracania zrzucają. Ciekły elektrolit litowo-solny jest medium, które pozwala na ruch. Jeśli kiedykolwiek widziałeś korozję baterii lub zostałeś przebity, "kwas akumulatorowy", który wypływa (lub czasem wybucha), jest ciekłym elektrolitem.

W akumulatorze półprzewodnikowym, zarówno dodatnia, jak i ujemna elektroda oraz elektrolit między nimi są stałymi kawałkami metalu, stopu lub innego materiału syntetycznego. Termin "półprzewodnikowy" może przypominać o napędach dysków SSD i nie jest to zbieg okoliczności. Półprzewodnikowe dyski do przechowywania używają pamięci flash, która się nie porusza, w przeciwieństwie do standardowego dysku twardego, który przechowuje dane na obracającym się dysku magnetycznym zasilanym przez maleńki silnik.

Choć idea baterii półprzewodnikowych istnieje już od dziesięcioleci, postępy w ich rozwoju dopiero się rozpoczynają, obecnie pobudzane inwestycjami ze strony firm elektronicznych, producentów samochodów i ogólnych dostawców przemysłowych..

Co jest lepszego o bateriach półprzewodnikowych?

Akumulatory półprzewodnikowe obiecują kilka wyraźnych zalet w stosunku do ich kuzynów wypełnionych cieczą: lepsza żywotność baterii, szybsze ładowanie i bezpieczniejsza obsługa.

Akumulatory półprzewodnikowe ściskają anodę, katodę i elektrolit w trzech płaskich warstwach zamiast zawieszać elektrody w ciekłym elektrolicie. Oznacza to, że można je zmniejszyć - a przynajmniej lepiej - trzymając jednocześnie tyle energii, co większa bateria na bazie płynu. Tak więc, gdyby zastąpić baterię litowo-jonową lub litowo-polimerową w telefonie lub laptopie baterią półprzewodnikową o tym samym rozmiarze, ładunek byłby znacznie dłuższy. Możesz też zrobić urządzenie o takim samym ładunku o wiele mniejsze lub cieńsze.

Akumulatory półprzewodnikowe są również bezpieczniejsze, ponieważ nie ma toksycznych, łatwopalnych cieczy do rozlewania i nie wytwarzają one tyle ciepła, co konwencjonalne akumulatory. Po zastosowaniu do akumulatorów zasilających prąd elektroniczny, a nawet samochody elektryczne, mogą one ładować się znacznie szybciej - jony mogą poruszać się znacznie szybciej od katody do anody.

Zgodnie z najnowszymi badaniami bateria półprzewodnikowa może przewyższać konwencjonalne akumulatory o 500% lub więcej pod względem pojemności i ładować je w jednej dziesiątej.

Jakie są wady?

Ponieważ baterie półprzewodnikowe są nową technologią, są niezwykle kosztowne w produkcji. Są tak drogie, że w chwili pisania nie są instalowane w żadnej dużej elektronice konsumenckiej. W 2012 roku analitycy piszący dla działu analizy oprogramowania i zaawansowanego przetwarzania materiałów University of Florida oszacowali, że typowa bateria półprzewodnikowa wielkości telefonu komórkowego kosztowałaby około 15 000 USD do wyprodukowania. Jeden wystarczająco duży, by zasilić samochód elektryczny, kosztowałby 100 000 $.

Bateria półprzewodnikowa wystarczająca do zasilania telefonu kosztuje dziś tysiące dolarów.

Częściowo dlatego, że korzyści skali nie istnieją - setki milionów akumulatorów są teraz wytwarzane każdego roku, więc koszty produkcji materiałów i sprzętu są rozłożone na olbrzymich liniach zasilających. Istnieje tylko kilka firm i uniwersytetów badających akumulatory półprzewodnikowe, więc koszt produkcji każdego z nich jest astronomiczny.

Kolejną kwestią są materiały. Podczas gdy właściwości różnych metali, stopów i soli metalicznych stosowanych w konwencjonalnych akumulatorach są dobrze znane, obecnie nie znamy najlepszej chemicznej i atomowej kompozycji stałego elektrolitu między metalowymi anodami i katodami. Obecne badania zawężają to, ale musimy zebrać bardziej wiarygodne dane, zanim będziemy mogli zebrać lub zsyntetyzować materiały i zainwestować w procesy produkcyjne.

Kiedy otrzymam baterię w stanie stałym??

Podobnie jak w przypadku wszystkich nowych technologii, próbowanie dowiedzieć się, kiedy dostaniesz ręce, jest w najlepszym razie zgadywanka.

Zachęcające jest to, że wiele olbrzymich korporacji inwestuje w badania potrzebne do wprowadzenia akumulatorów półprzewodnikowych na rynek konsumencki, ale w najbliższej przyszłości nie jest w stanie dokonać wielkiego przełomu. Trudno powiedzieć, czy dojdzie do wielkiego skoku. Przynajmniej jedna firma motoryzacyjna twierdzi, że będzie gotowa do umieszczenia jednego pojazdu w 2023 roku, ale nie zgadnie, ile ten samochód może kosztować. Pięć lat wydaje się zbyt optymistyczne; dziesięć lat wydaje się bardziej prawdopodobne. Może upłynąć dwadzieścia lat lub więcej, zanim materiały zostaną rozstrzygnięte, a procesy produkcyjne zostaną opracowane.

Ale, jak powiedzieliśmy na początku artykułu, konwencjonalna technika baterii zaczyna uderzać w ścianę. I nie ma to jak potencjalna sprzedaż, która pobudzi badania i rozwój. Jest to przynajmniej nieznacznie (bardzo, bardzo nieznacznie) możliwe, że wkrótce będziesz mógł skorzystać z gadżetu lub prowadzić samochód zasilany baterią półprzewodnikową.

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