Inhoud

• Ruimtebesparend
• Langere levensduur
• Soorten vaste stof elektrolyten
• Dunne film batterijen
• Grotere, grotere batterijen
• Zeer geleidend
• Afronden

Een paar weken geleden introduceerde Kris ons over het onderwerp solid-state batterijen en hoe dit de volgende grote vooruitgang in de batterijtechnologie van smartphones zou kunnen zijn. Kortom, solid-state batterijen zijn veiliger, kunnen meer sap bevatten en kunnen worden gebruikt voor nog dunnere apparaten. Helaas zijn ze op dit moment onbetaalbaar om in middelgrote smartphonecellen te plaatsen, maar dat kan in de komende jaren veranderen.

Dus als u zich afvraagt ​​wat een solid-state batterij precies is en hoe deze anders is dan de huidige lithium-ioncellen, lees dan verder.

Het belangrijkste verschil tussen de algemeen gebruikte lithium-ionbatterij en een solid-state batterij is dat de eerste een vloeibare elektrolytische oplossing gebruikt om de stroomstroom te reguleren, terwijl solid-state batterijen voor een vaste elektrolyt kiezen. De elektrolyt van een batterij is een geleidend chemisch mengsel dat de stroom tussen de anode en de kathode mogelijk maakt.

Solid state batterijen werken nog steeds op dezelfde manier als huidige batterijen, maar de verandering in materialen verandert enkele attributen van de batterij, waaronder maximale opslagcapaciteit, oplaadtijden, grootte en veiligheid.

Stroom in een batterij loopt tussen de anode en de kathode door een geleidende elektrolyt, terwijl scheiders worden gebruikt om kortsluiting te voorkomen.

Ruimtebesparend

Het onmiddellijke voordeel van het omschakelen van een vloeibare naar een vaste elektrolyt is dat de energiedichtheid van de batterij kan toenemen. Dit komt omdat in plaats van grote scheiders tussen de vloeistofcellen te vereisen, solid-state batterijen slechts zeer dunne barrières vereisen om kortsluiting te voorkomen.

Solid-state batterijen kunnen twee keer zoveel energie bevatten als Li-ion

Conventionele vloeistofgeweekte batterijscheiders worden geleverd met een dikte van 20-30 micron. Solid-state technologie kan de scheiders verkleinen tot 3-4 micron elk, een ruwweg 7-voudige ruimtebesparing door alleen van materiaal te wisselen.

Deze scheiders zijn echter niet het enige onderdeel in de batterij en andere bits kunnen niet zo veel krimpen, waardoor het ruimtebesparende potentieel van solid-state batterijen wordt beperkt.

Desondanks kunnen solid-state batterijen tot twee keer zoveel energie bevatten als Li-ion, wanneer ze de anode ook vervangen door een kleiner alternatief.

Langere levensduur

Elektrolyten in vaste toestand zijn doorgaans minder reactief dan de huidige vloeistof of gel, dus ze kunnen naar verwachting veel langer meegaan en hoeven na slechts 2 of 3 jaar niet te worden vervangen. Dit betekent ook dat deze batterijen niet exploderen of in brand vliegen als ze beschadigd zijn of fabricagefouten hebben, wat betekent dat veiligere producten voor de consument zijn.

Solid-state batterijen zullen niet exploderen of in brand vliegen als ze beschadigd zijn of fabricagefouten hebben.

In de huidige smartphones wordt vaak gezocht naar vervangbare batterijen voor mensen die jarenlang dezelfde telefoon willen gebruiken, omdat ze kunnen worden verwisseld zodra ze kapot gaan.

Smartphonebatterijen houden hun lading vaak ook na ongeveer een jaar niet vast en kunnen zelfs ervoor zorgen dat hardware onstabiel wordt, reset of zelfs stopt met werken na enkele jaren van gebruik. Met solid-state batterijen kunnen smartphones en andere gadgets veel langer meegaan zonder dat er een vervangende cel nodig is.

Er zijn veel vaste chemische verbindingen die in batterijen kunnen worden gebruikt, niet slechts één.

Over vloeistof versus vaste batterijen gesproken is echter een vereenvoudiging van het onderwerp, omdat er veel vaste chemische verbindingen zijn die in batterijen kunnen worden gebruikt, niet slechts één.

Soorten vaste stof elektrolyten

Er zijn acht verschillende grote categorieën solid-state batterijen, die elk verschillende materialen voor de elektrolyt gebruiken. Dit zijn Li-Halide, Perovskiet, Li-Hydride, NASICON-achtig, Garnet, Argyrodite, LiPON en LISICON-achtig.

Omdat we nog steeds te maken hebben met een opkomende technologie, komen onderzoekers nog steeds in aanraking met de beste soorten solid-state elektrolyt voor verschillende productcategorieën. Geen enkele is nog duidelijk bekend, maar op sulfide gebaseerde LiPON- en Garnet-cellen worden momenteel als de meest veelbelovende beschouwd.

Je zult waarschijnlijk gemerkt hebben dat veel van deze typen nog steeds op basis van lithium (Li) zijn, omdat ze nog steeds lithiumelektroden gebruiken. Maar velen kiezen voor nieuwe anode- en kathode-elektrodematerialen om de prestaties te verbeteren.

Dunne film batterijen

Zelfs binnen solid-state batterijtypen zijn er twee duidelijke subtypen: dunne film en bulk. Een van de meest succesvolle dunne-filmtypen die al op de markt is, is LiPON, dat door de meeste fabrikanten met een lithiumanode wordt geproduceerd.

De LiPON-elektrolyt biedt uitstekende eigenschappen voor gewicht, dikte en zelfs flexibiliteit, waardoor het een veelbelovend celtype is voor draagbare elektronica en gadgets waarvoor kleine cellen nodig zijn. Terugkomend op het onderwerp cellen met een langere levensduur, heeft LiPON ook uitstekende stabiliteit aangetoond met slechts 5% capaciteitsreductie na 40.000 laadcycli.

LiPON-batterijen kunnen 40 tot 130 keer langer meegaan dan Li-ion-batterijen voordat ze moeten worden vervangen.

Ter vergelijking bieden lithium-ionbatterijen slechts tussen 300 en 1000 cycli voordat ze een vergelijkbare of grotere capaciteitsverlies vertonen. Dit betekent dat LiPON-batterijen 40 tot 130 keer langer meegaan dan Li-ion-batterijen voordat ze moeten worden vervangen.

Het nadeel van LiPON is dat de totale energieopslagcapaciteit en geleidbaarheid in vergelijking daarmee nogal slecht zijn. Alternatieve solid-state batterijtechnologieën kunnen echter de sleutel zijn om de levensduur van de batterij voor smartwatches te verlengen, wat momenteel een aantal klanten ervan weerhoudt een wearable op te halen.

Grotere, grotere batterijen

Tot nu toe zijn solid-state batterijen nog niet geschikt voor grotere cellen in smartphones en tablets, laat staan ​​laptops of elektrische auto's. Voor grotere bulk solid-state batterijen met een grotere capaciteit is een superieure geleidbaarheid die in de buurt komt van of overeenkomt met vloeibare elektrolyten vereist, wat anders veelbelovende technologieën zoals LiPON uitsluit. Ionische geleiding meet het vermogen van ionen om door een materiaal te bewegen, en goede geleiding is een vereiste voor grotere cellen om de vereiste stroom te waarborgen.

LISICON en LiPS hebben onderzoek ingehaald naar LiPO-, LiS- en SiS-batterijen, de vorige leiders op het gebied van solid state. Deze types hebben echter nog steeds last van een lagere geleidbaarheid dan organische en vloeibare elektrolyten bij kamertemperatuur, waardoor ze onpraktisch zijn voor commerciële producten.

Zeer geleidend

Hier komt onderzoek naar elektrolyten van granaatoxide (LLZO) binnen, omdat het bij kamertemperatuur over een hoge ionengeleiding beschikt.

Het materiaal bereikt een geleiding die slechts iets achterblijft bij de resultaten die worden aangeboden door vloeibare lithium-ioncellen, en nieuwe onderzoeken naar LGPS suggereren dat dit materiaal er zelfs bij zou kunnen passen.

Dit betekent solid-state batterijen met ongeveer evenveel vermogen en capaciteit als de huidige Li-ion-cellen, terwijl voordelen zoals een kleinere omvang en een langere levensduur werkelijkheid worden.

Granaat is ook stabiel in lucht en water, waardoor het ook geschikt is voor Li-Air-batterijen. Helaas moet het worden vervaardigd met behulp van een duur sinterproces.

Dit maakt het momenteel een onaantrekkelijke propositie voor gebruik in consumentenbatterijen in vergelijking met de lage kosten van lithium-ioncellen. In de toekomst zullen de kosten waarschijnlijk dalen omdat de fabricagetechnieken worden verfijnd, maar we zijn nog ver verwijderd van een commercieel levensvatbare solid-state batterij.

Afronden

Er is duidelijk nog steeds veel lopend onderzoek naar solid-state batterijtechnologie. Volgens de vroegste voorspellingen zullen we nog geen volwassen cellen hun weg vinden naar consumentenproducten zoals smartphones voor nog eens 4 of 5 jaar. Solid-state batterijen in andere apparaten (zoals drones) kunnen echter al volgend jaar verschijnen.

Toch levert het laatste onderzoek eindelijk resultaten op die kunnen concurreren met bestaande li-ionbatterijen op het gebied van attributen, terwijl het ook de voordelen biedt van solid-state elektrolyten. Het enige dat we nodig hebben, is dat productieprocessen volwassen worden, en er zijn een aantal grote en opkomende batterijproducenten die de middelen hebben om dit te realiseren.

Samenvattend zijn de belangrijkste voordelen van al deze chemische verschillen vanuit het perspectief van de consument: tot 6 keer sneller opladen, tot twee keer de energiedichtheid, een langere levensduur van maximaal 10 jaar in vergelijking met 2, en geen brandbare componenten. Dat zal zeker een zegen zijn voor smartphones en andere draagbare gadgets.