Co jsou polovodičové baterie?
Pro ty, kteří se zajímají o bateriový průmysl, je pojem "polovodičová baterie" je jistě známý. Tato nová technologie je považována za vylepšení lithiových baterií, které dokáže výrazně zvýšit životnost současných baterií, a to až několikanásobně.
Zejména v odvětví elektromobilů jsou polovodičové baterie považovány za klíč k revoluci v tomto odvětví. Představte si elektromobil, který ujede 1000 km a jehož plné nabití trvá jen patnáct minut - jak lákavé to je?
Tento potenciál vedl k intenzivní konkurenci mezi všemi výrobci baterií v této oblasti. V čem jsou tedy polovodičové baterie tak kouzelné? Přečtěte si prosím následující článek, který vám poskytne ucelené informace o polovodičových bateriích.
Co je polovodičová baterie?
Koncept polovodičové baterie poprvé představil britský vědec Michael Faraday. Více než sto let se však zdálo, že pevné elektrolyty zmizely z historie a ztratily se lidem z dohledu. Na počátku tohoto století lidstvo nenápadně navázalo tam, kde Faraday před více než 100 lety skončil, a znovu se pustilo do zkoumání pevných elektrolytů.
Největší rozdíl mezi polovodičovými a lithiovými bateriemi je v tom. SSB absence tekutých nebo gelových elektrolytů. Místo toho se v pevnolátkových bateriích používají skleněné sloučeniny lithia nebo sodíku jako pevné elektrolyty, kterými migrují ionty lithia. V pevných látkách je iontová vodivost relativně vysoká a riziko úniku a vzniku plynu je minimalizováno, čímž se zvyšuje bezpečnost a energetická hustota baterie.
Proč vyvíjet polovodičové baterie?
V bateriovém průmyslu se má za to, že kapalné lithiové baterie, ať už lithium-železo-fosfátové nebo ternární lithiové baterie, dosáhly svých "limitů". Dosáhnout nových technologických průlomů je stále obtížnější. To znamená, že k získání baterií s vyšší kapacitou a menším objemem je třeba vyvinout nové technologie.
Polovodičové baterie mohou zároveň zásadním způsobem řešit hlavní bezpečnostní rizika lithium-iontových baterií. Tradiční lithium-iontové baterie se mohou samovznítit nebo explodovat kvůli hořlavým a těkavým organickým elektrolytům, které obsahují.
Kromě toho mohou problémy, jako je koroze elektrolytu, odpařování a únik, představovat pro bateriový systém vážná bezpečnostní rizika. Pevné elektrolytyjsou naopak ze své podstaty nehořlavé, žáruvzdorné, nekorodující a netěkavé. V porovnání s tradičními elektrolyty nabízejí lepší mechanickou pevnost, tepelnou stabilitu a elektrochemickou stabilitu, čímž významně zvyšuje bezpečnost baterie.
Tři hlavní cesty pro polovodičové baterie
Polovodičové baterie sledují především tři technologické cesty: polymerovou, oxidovou a sulfidovou. Katodové materiály a cesty polovodičových baterií se výrazně neliší od materiálů a cest kapalných lithiových baterií. Různé technologické cesty se liší především typy použitých elektrolytů. Na základě elektrolytů lze cesty pevnolátkových baterií rozdělit do tří kategorií: polymerní, oxidové (filmové nebo nefilmové) a sulfidové, přičemž každá z nich má své výhody a nevýhody.
A. Polymer
Výhody:
-
- Snadno se zpracovává a stávající zařízení a postupy výroby kapalných elektrolytů mohou vyhovovat potřebám výroby a výzkumu.
Nevýhody:
-
- Nízká vodivost, pro správnou funkci vyžaduje zahřátí na 60 stupňů Celsia.
- Špatná stabilita, nekompatibilní s vysokonapěťovými katodovými materiály a náchylné ke vznícení při vysokých teplotách.
- Úzké elektrochemické okno, elektrolyt se snadno rozkládá při vysokých rozdílech napětí (>4 V).
B. Sulfid
Výhody:
-
- Nejvyšší vodivost a široké okno elektrochemické stability (nad 5 V), což z něj činí nejslibnější pro vývoj.
Nevýhody:
-
- Špatná tepelná stabilita, tepelná reakce začíná při teplotě 400-500 °C.
- Složitý proces přípravy a náchylnost k reakci s vodou a vzdušným kyslíkem za vzniku vysoce toxického sirovodíku.
C. Oxid
Výhody:
-
- Dobrá vodivost a stabilita, vyšší iontová vodivost než u polymeru, tepelná stabilita až do 1000 °C a vynikající mechanická a elektrochemická stabilita.
Nevýhody:
-
- Nižší vodivost ve srovnání se sulfidy.
- Problémy s pevným kontaktem rozhraní.
V současné době se výzkumné směry různých výrobců baterií liší. Čína a Spojené státy se zaměřují především na oxidové cesty a současně zkoumají nové cesty. Japonské společnosti, například Honda, dávají přednost sulfidové cestě. Vzhledem k relativně nižším nákladům a náročnosti výzkumu se několik polotuhých baterií do roku 2024 dočkalo komerčního využití v oxidovém systému. Z dlouhodobého hlediska však sulfidický pevný elektrolyt, i přes vysokou náročnost výzkumu, díky svým vynikajícím parametrům a značnému potenciálu nadále přitahuje značné investice a výzkumné úsilí dobře kapitalizovaných bateriových společností.
Tři hlavní cesty pro polovodičové baterie
Výhody polovodičových baterií
Vysoká hustota energie:
S použitím plně pevných elektrolytů se výrazně mění použitelný materiálový systém lithium-iontových baterií. Klíčovou změnou je odstranění potřeby lithiových interkalovaných grafitových anod. Polovodičové baterie mohou jako anodový materiál používat kovové lithium. Teoretická měrná kapacita kovového lithia je 3860 mAh/g, zatímco u grafitové anody v tradičních lithium-iontových bateriích je to pouze 372 mAh/g. To umožňuje bateriím překonat chemická omezení a dosáhnout vyšší úrovně výkonu.
Menší objem:
Tradiční lithium-iontové baterie vyžadují separátory a elektrolyty, které dohromady zabírají téměř 40% objemu baterie a 25% její hmotnosti. Jejich nahrazením pevnými elektrolyty (především organickými a anorganickými keramickými materiály) lze vzdálenost mezi kladnou a zápornou elektrodou (tradičně vyplněnou separátory a elektrolyty, nyní vyplněnou pevnými elektrolyty) snížit na pouhých několik až desítek mikrometrů. To znamená, že baterie lze zmenšovat, což z technologie pevnolátkových baterií činí zásadní krok k miniaturizaci baterií.
Vysoká plasticita:
Použití keramiky jako pevného elektrolytu má tu výhodu, že při ztenčení vykazuje překvapivou plasticitu, přestože je keramika v každodenním kontaktu křehká. I po stovkách ohybů nebo záhybů zůstává kapacita baterie, účinnost nabíjení a vybíjení a životnost v podstatě nezměněna. To znamená, že pevnolátkové baterie lze vyrobit do libovolného tvaru, což nabízí větší flexibilitu při navrhování elektronických zařízení, potenciálně vede k inovativním tvarům a strukturám a podporuje technologické inovace výrobků.
Zvýšená bezpečnost:
V tradičních lithium-iontových bateriích může použití kovového lithia jako anodového materiálu vést k tvorbě dendritů během nabíjení a vybíjení. Dendrity jsou jehlicovité nebo stromovité struktury, které vznikají nerovnoměrným usazováním kovového lithia v elektrolytu. Tyto dendrity mohou růst a potenciálně pronikat do separátoru, což může způsobit přímý kontakt mezi kladnou a zápornou elektrodou a vést ke zkratu a případně k požáru nebo výbuchu.
Kromě toho jsou organické kapalné elektrolyty v tradičních bateriích náchylné k vedlejším reakcím, oxidaci, tvorbě plynů a hoření při vysokých teplotách. Pevné materiály se těmto problémům mohou zcela vyhnout.
Lepší výkon při vysokých a nízkých teplotách:
Rozsah provozních teplot v současnosti uváděných polovodičových baterií je -20 °C až 105 °C. Elektrolyty lithium-iontových baterií používají hořlavá organická rozpouštědla, což představuje riziko v prostředí s vysokou teplotou. Elektrolyty baterií v pevné fázi nepoužívají hořlavé materiály, takže jsou vhodné pro použití při vyšších teplotách.
Při nízkých teplotách může být pohyblivost iontů v kapalných elektrolytech pomalá, což snižuje výkon a napětí baterie. Pevné elektrolyty nemrznou jako kapaliny, takže změny vnitřního odporu jsou minimální, což udržuje lepší výkon při nízkých teplotách.
Srovnání lithium-iontových baterií a polovodičových baterií
| Funkce | Lithium-iontová baterie | Polovodičová baterie |
|---|---|---|
| Hustota energie | 150-250 Wh/kg | 250-500 Wh/kg |
| Typ elektrolytu | Tekutý nebo gelový elektrolyt | Pevný elektrolyt |
| Bezpečnost | Nebezpečí úniku, požáru a výbuchu | Nižší riziko, větší stabilita |
| Provozní teplota | -20 °C až 60 °C | -30 °C až 100 °C |
| Životní cyklus | 500-1000 cyklů | 1000-3000 cyklů |
| Náklady | Relativně nízká | V současné době vysoká |
| Složitost výroby | Zavedené procesy | Komplexní, méně zavedené |
| Komerční dostupnost | Široce dostupné | Omezené, ve vývoji |
Tři hlavní cesty pro polovodičové baterie
QuantumScape
Zázemí společnosti: Společnost QuantumScape byla založena v roce 2010 a v jejím čele stojí prezident a generální ředitel Dr. Jagdeep Singh. Společnost sídlí v San Jose v Kalifornii a působí v USA i v Japonsku.
Technologie: QuantumScape se zaměřuje na technologii oxidů. Jejich polovodičová baterie je jedinečná tím, že nemá předem nastavený materiál anody. Při nabíjení se čistý kov lithia mění na ionty lithia, které migrují na druhou stranu baterie a tvoří anodu, což je technika, kterou nazývají "bezanodová". To je možné díky jejich patentovanému keramickému materiálu použitému pro separátor baterie, který umožňuje volný pohyb iontů lithia a zároveň zabraňuje reakci kovového lithia s materiálem katody a tvorbě dendritů.
Výhody: Společnost QuantumScape vytvořila více než 200 patentů a aplikací. Jejich patentovaný pevnolátkový keramický separátor v kombinaci s organickými kapalnými elektrolyty (katolytem) umožňuje používat vlastní materiály katolytu, které lépe vyhovují požadavkům na napětí a přenos katody.
Nejnovější pokrok: Dne 27. března 2024 začala společnost QuantumScape dodávat prototypy Alpha-2 zákazníkům.
Solid Power
Zázemí společnosti: John Van Scoter působí ve funkci generálního ředitele a prezidenta od června 2023. Společnost Solid Power spolupracuje se společnostmi BMW a Ford a sídlí v Louisville ve státě Colorado.
Technologie: Společnost Solid Power se zaměřuje na sulfidovou technologii, která je poháněna vlastním pevným elektrolytem na bázi sulfidů. Katodovým materiálem je NMC a společnost má dvě technologie baterií využívající různé anodové materiály: jednu s vysokým obsahem křemíku a druhou s kovovým lithiem.
Výhody: Klíčovou složkou společnosti Solid Power je její pevný elektrolyt na bázi sulfidů, který poskytuje optimální kombinaci vodivosti, vyrobitelnosti a výkonu na úrovni baterií.
Nejnovější pokrok: Dne 16. ledna 2024 podepsala společnost Solid Power novou dohodu se společností SK o prohloubení partnerství.
Dyson (Sakti3)
Zázemí společnosti (Dyson): Dyson je britská technologická společnost specializující se na výrobky pro domácnost, jejíž vynálezecký tým tvoří 1200 vědců a inženýrů. Společnost Dyson zahájila svůj vlastní program výroby baterií před více než deseti lety.
Zázemí společnosti (Sakti3): V roce 2015 společnost Sakti3 koupila společnost Dyson Ltd. Společnost Sakti3 založili v roce 2007 Dr. Ann Marie Sastry, Dr. Chia-Wei Wang a Dr. Fabio Albano jako spin-out Michiganské univerzity.
Technologie: Sakti3 využívá technologii nanášení tenkých vrstev, která se obvykle používá u fotovoltaických solárních článků. Jejich polovodičové baterie nemají kapalné elektrolyty, místo toho používají "sendvičovou" strukturu, která zajišťuje normální přenos iontů.
Výhody: Společnost Dyson odhalila, že polovodičové baterie Sakti3 dosahují velmi vysoké hustoty energie 550 Wh/kg, což je téměř dvojnásobek maximální hustoty energie 300 Wh/kg u ternárních lithiových baterií.
Nejnovější pokrok: Společnost Dyson 16. června 2023 oznámila, že plánuje otevřít v Singapuru pokročilý výrobní závod na baterie nové generace.
Toyota
Zázemí společnosti: Toyota pracuje na vývoji polovodičových baterií od roku 2006 a zaměřuje se na sulfidovou technologii. Vlastní více než 1300 patentů na polovodičové baterie a sídlí v japonském Tokiu.
Technologie: Zveřejněné informace společnosti Toyota naznačují zaměření na sulfidovou technologii.
Výhody: Toyota vlastní 1331 patentů týkajících se polovodičových baterií, které pokrývají strukturu baterií, použití materiálů a výrobní postupy, což z ní činí společnost s největším počtem souvisejících patentů na světě. Komerční výrobu plánuje zahájit v letech 2026 až 2027.
Nejnovější pokrok: 13. června 2024 oznámila Toyota technologický průlom, který řeší dlouhodobý problém s výdrží baterií.
Ampcera
Zázemí společnosti: Společnost Ampcera sídlí v Silicon Valley v Kalifornii a byla založena v roce 2017. Generálním ředitelem je Dr. Sumin Zhu.
Technologie: Technologie ASSB společnosti Ampcera zahrnuje sulfidové materiály s pevným elektrolytem s ochranou IP, které jsou určeny pro velmi rychlé nabíjení. Využívají vysokokapacitní katody NMC a anody na bázi křemíku k dosažení cílové hustoty energie 400 Wh/kg.
Výhody: Technologie plně polovodičové baterie (ASSB) společnosti Ampcera dosáhla rychlého nabíjení z 0 na 80% stavu nabití (SOC) za 15 minut při špičkové rychlosti C 4C.
Nejnovější pokrok: Dne 25. února 2024 překonala technologie plně polovodičových baterií společnosti Ampcera cíl amerického ministerstva energetiky pro extrémně rychlé nabíjení 80% za 15 minut.
Samsung SDI
Zázemí společnosti: Společnost Samsung SDI sídlí ve městě Yongin v jihokorejském státě Gyeonggi-do a jejím generálním ředitelem je Yoon Ho Choi.
Technologie: Společnost se zaměřuje na sulfidové elektrolyty a používá kompozitní anodu Ag-C bez přebytečného lithia. Vrstva Ag-C účinně reguluje ukládání lithia a dosahuje dlouhé životnosti elektrochemického cyklu.
Výhody: Technologie polovodičových baterií Super-Gap společnosti Samsung SDI má hustotu energie 900 Wh/L, což je přibližně o 40% více než u současných lithium-iontových baterií. Tvrdí, že je schopna nabít prizmatický článek z 8% na 80% za 9 minut. Sériová výroba je plánována na rok 2026.
Nejnovější pokrok: V březnu 2024 společnost Samsung SDI oznámila, že do roku 2027 plánuje zahájit masovou výrobu polovodičových baterií pro elektromobily a další aplikace.
Čínští výrobci
Čínští výrobci baterií jsou diskrétnější, ale je známo, že BYD a CATL vyvíjejí polovodičové baterie. Celosvětově existuje 20 798 patentových přihlášek klíčových technologií pro polovodičové baterie, z toho na Čínu připadá 7640, tj. 36,7%. Za posledních pět let činil roční nárůst počtu patentových přihlášek na polovodičové baterie v Číně 20,8%, což je nejvíce na světě.
Názory na polovodičové baterie od dalších předních společností v oboru
Výzvy polovodičových baterií
Vysoké náklady
V případě sulfidové cesty přesahují náklady na sulfidové pevné elektrolyty v současné době $195 za kilogram, mnohem vyšší než $50 za kilogram potřebný pro komercializaci. Tento problém vyplývá z vysoké ceny sulfidu lithného (nejméně $650 za kilogram), která je nutná pro syntézu sulfidových pevných elektrolytů. Kromě toho vysoce výkonné materiály (např. keramika vysoké čistoty) a složité výrobní procesy používané v pevnolátkových bateriích způsobují, že jejich náklady jsou výrazně vyšší než u tradičních lithium-iontových baterií.
Výrobní potíže
Při použití sulfidového pevného elektrolytu je výroba náročná kvůli tendenci elektrolytu reagovat s vlhkostí a kyslíkem. To vyžaduje vysoce kontrolované výrobní prostředí, ideálně v uzavřené komoře naplněné inertním plynem.
Nízká iontová vodivost
U baterií v pevném stavu se kontakt na rozhraní mezi elektrodou a elektrolytem mění z kontaktu pevná látka-kapalina na kontakt pevná látka-pevná látka. Ve srovnání s kapalnými elektrolyty je kontaktní plocha mezi pevnými látkami menší, což vede k vyššímu mezifázovému odporu. Pevné elektrolyty navíc obsahují mnoho hranic zrn, které mají často vyšší odpor než objemový materiál, což brání transportu lithiových iontů mezi elektrodami a negativně ovlivňuje výkon při rychlém nabíjení a životnost cyklu.
Špatná životnost cyklu
Kontakt pevná látka - pevná látka v bateriích v pevné fázi je pevnější, takže je citlivější na objemové změny elektrodových materiálů. Během cyklování to může vést ke špatnému kontaktu mezi částicemi elektrod a mezi částicemi elektrod a elektrolytem., což způsobuje akumulaci napětí, degradaci elektrochemických vlastností a dokonce i praskliny, které mohou rychle snížit kapacitu a vést k nízké životnosti cyklu.
Kdy budou k dispozici polovodičové baterie?
Od července 2024 nejsou na trhu dostupné žádné skutečně plně polovodičové baterie. Čínští výrobci automobilů, kteří tvrdí, že používají polovodičové baterie, ve skutečnosti používají polotuhé baterie se sníženým obsahem kapaliny. Podobně jako u lithiových baterií, u nichž přechod od technologického počátku k širokému využití trval desítky let, se mnozí odborníci domnívají, že baterie v pevné fázi vyžadují ještě delší období pro ověření a technologický průlom.
Čekání však nemusí být nekonečné. Významný potenciál polovodičových baterií podnítil intenzivní konkurenci a urychlil pokrok v této oblasti. Mnozí výrobci si stanovili rok 2027 jako rok, kdy budou polovodičové baterie uvedeny na trh. Sledujme vývoj, jak se odvětví blíží k tomuto ambicióznímu cíli.
Úspora peněz, ochrana životního prostředí
PKNERGY vám pomůže snížit účty za energii pro váš dům solární skladování energie, ukládání solární energie pro použití kdykoli - v noci nebo během výpadku.
CS 
EN 
ES 
DE 
PT 
AR 
KU 
ID 
RU 
SL 
KO 
FR 
IT 
BG 
NL 