Polprevodniške baterije: Kdaj bodo "nadomestki" postali "oporniki"?

Polprevodniške baterijese pojavljajo kot vir energije naslednje generacije, vendar se bodo hibridne trdno-tekoče baterije verjetno najprej komercializirale in delovale kot ključni most med današnjimi tekočimi litij-ionskimi celicami in prihodnjimi popolnoma polprevodniškimi sistemi.

Kaj so polprevodniške baterije

Polprevodniške baterije nadomeščajo vnetljive tekoče elektrolite s trdnimi materiali, hkrati pa omogočajo večjo energijsko gostoto in boljšo varnost. Njihove katode lahko uporabljajo visokoenergijske materiale, kot so z litijem bogate spojine na osnovi mangana, medtem ko lahko anoda združuje nanosilicij in grafit, da potisne energijsko gostoto proti 300–450 Wh/kg.

Trden elektrolit prenaša litijeve ione brez tveganja uhajanja in znatno zmanjša verjetnost toplotnega uhajanja.

Anode z večjo zmogljivostjo in visokonapetostne katode dajejo polprevodniškim baterijam potencial za daljši doseg v električnih vozilih in izboljšano vzdržljivost v dronih ali sistemih za shranjevanje energije.

Hibrid trdno–tekoče kot prehod

Članek razlikuje tekoče, hibridne trdno-tekoče in popolnoma polprevodniške litijeve baterije, pri čemer poudarja, da so hibridne zasnove bistvena prehodna stopnja. Poltrdne, kvazitrdne in "trdne" baterije na trgu večinoma spadajo v to hibridno kategorijo, razlikujejo se le v razmerju med tekočim in trdnim elektrolitom.

Hibridne trdno-tekoče baterije še vedno vsebujejo nekaj tekočega elektrolita, kar izboljša stik z aktivnimi materiali in olajša izdelavo.

Popolnoma polprevodniške baterije vsebujejo le trden elektrolit, ki ponuja boljšo intrinzično varnost in večjo teoretično energijsko gostoto, vendar se danes soočajo s hujšimi inženirskimi izzivi.

Tehnične ovire za polno trdno stanje

Čeprav številna podjetja in raziskovalni inštituti po vsem svetu vlagajo v polprevodniško tehnologijo, nobena polprevodniška napajalna celica velike zmogljivosti še ni primerljiva s tekočimi litij-ionskimi baterijami tako glede zmogljivosti kot cene. Glavna težava je na vmesniku med trdno in trdno snovjo, kjer togi elektrolitski materiali otežujejo vzdrževanje tesnega stika z elektrodami med kroženjem in spremembami volumna.

Trenutne poti vključujejo polimerne, tankoplastne, sulfidne in oksidne polprevodniške baterije, od katerih ima vsaka različne prednosti in omejitve.

Na primer, polimerne polprevodniške celice se borijo pri sobni temperaturi in z visokonapetostnimi katodami, medtem ko so sulfidni sistemi občutljivi na zrak in zahtevajo zahtevne proizvodne pogoje.

Strategija utrjevanja na kraju samem

Za premagovanje težav z vmesniki ob izkoriščanju obstoječe litij-ionske infrastrukture raziskovalci predlagajo pristop strjevanja na kraju samem za hibridne trdne in tekoče elektrolite. Med sestavljanjem celic tekoči prekurzor zagotavlja dobro omočenje in stik; kasneje kemične ali elektrokemične reakcije spremenijo celotno ali del te tekočine v trden elektrolit znotraj celice.

Ta metoda izboljša stik med elektrodo in elektrolitom, zavira rast litijevega dendrita in uravnoteži varnost, visoko napetost in zmogljivost hitrega polnjenja.

Prav tako lahko ponovno uporabi velik del trenutnega tekočega litij-ionskega proizvodnega procesa, kar proizvajalcem pomaga pri hitrejšem povečanju obsega in zmanjšanju stroškov.

Prihodnje smeri razvoja

Strokovnjaki pričakujejo, da bodo polprevodniške litijeve baterije potrebovale še približno pet let pred resnično obsežno komercializacijo, tako da hibridne trdno-tekoče napajalne baterije ostajajo realna kratkoročna pot. Za pospešitev industrializacije članek poudarja potrebo po usklajenem napredku pri materialih, oblikovanju celic, proizvodnji in standardih.

Prednostne naloge vključujejo: razvoj trdnih elektrolitov z uravnoteženo ionsko prevodnostjo, stabilnostjo in sposobnostjo obdelave; ujemanje visokoenergijskih elektrod, kot so katode z visoko vsebnostjo niklja in silicij-ogljikove ali litijeve kovinske anode; in povezovanje digitalne simulacije z inteligentno proizvodnjo.

Industrijo se spodbuja, da zgradi robustne dobavne verige za ključne materiale, vlaga v avtomatizirano opremo, izboljša sisteme testiranja in vrednotenja ter se postopoma razvije iz hibrida trdno-tekoče litij-ionske baterijeproti popolnoma polprevodniškim litij-kovinskim baterijam.