Kaj so polprevodniški akumulatorji?
Za tiste, ki jih zanima industrija baterij, je izraz "polprevodniška baterija" je vsekakor znan. Ta nova tehnologija velja za nadgradnjo litijevih baterij, ki lahko znatno podaljša življenjsko dobo sedanjih baterij za nekajkrat.
Predvsem v industriji električnih vozil veljajo polprevodniške baterije za ključ do revolucije v tem sektorju. Predstavljajte si električni avtomobil, ki lahko prevozi 1000 km in se do konca napolni v petnajstih minutah - kako vabljivo je to?
Ta potencial je privedel do močne konkurence med vsemi proizvajalci baterij na tem področju. Zakaj so polprevodniške baterije tako čarobne? Za celovito razumevanje polprevodniških baterij preberite naslednji članek.
Kaj je polprevodniška baterija?
Koncept polprevodniške baterije je prvi predstavil britanski znanstvenik Michael Faraday. Vendar se je več kot stoletje zdelo, da so trdni elektroliti izginili s prizorišča zgodovine in se izgubili pred očmi ljudi. V tem stoletju je človeštvo potihoma začelo raziskovati trdne elektrolite tam, kjer je Faraday pred več kot 100 leti končal.
Največja razlika med polprevodniškimi in litijevimi baterijami je v SSB brez tekočih ali gelskih elektrolitov. Namesto tega baterije v trdnem stanju uporabljajo steklene spojine iz litija ali natrija kot trdne elektrolite, skozi katere migrirajo litijevi ioni. V trdnih snoveh je ionska prevodnost razmeroma visoka, tveganje uhajanja in nastajanja plinov pa je zmanjšano na najmanjšo možno mero, kar povečuje varnost in energijsko gostoto baterije.
Zakaj razvijati polprevodniške baterije?
V baterijski industriji velja, da so tekoče litijeve baterije, bodisi litijevo-železovo-fosfatne ali ternarne litijeve baterije, dosegle svoje "meje". Vedno težje je doseči nove tehnološke preboje. To pomeni, da je treba za pridobitev baterij z večjo zmogljivostjo in manjšimi prostorninami razviti nove tehnologije.
Hkrati lahko polprevodniške baterije v osnovi odpravijo glavne varnostne nevarnosti litij-ionskih baterij. Tradicionalne litij-ionske baterije se lahko zaradi vnetljivih in hlapnih organskih elektrolitov, ki jih vsebujejo, samovžgejo ali eksplodirajo.
Poleg tega lahko težave, kot so korozija elektrolita, izhlapevanje in uhajanje, resno ogrozijo varnost baterijskega sistema. Trdni elektrolitiso po drugi strani po naravi nevnetljivi, odporni na vročino, nejedki in nehlapni. V primerjavi s tradicionalnimi elektroliti imajo boljšo mehansko trdnost, toplotno stabilnost in elektrokemično stabilnost, s čimer bistveno poveča varnost baterije.
Tri glavne poti za polprevodniške baterije
Polprevodniške baterije se v glavnem razvijajo po treh tehnoloških poteh: polimerni, oksidni in sulfidni. Katodni materiali in poti polprevodniških baterij se ne razlikujejo bistveno od materialov in poti tekočih litijevih baterij. Različne tehnološke poti se razlikujejo predvsem po vrstah uporabljenih elektrolitov. Na podlagi elektrolitov je mogoče polprevodniške baterije razdeliti v tri kategorije: polimerne, oksidne (filmske ali nefilmske) in sulfidne, pri čemer ima vsaka svoje prednosti in slabosti.
A. Polimer
Prednosti:
-
- Enostavna obdelava, obstoječa oprema in postopki za proizvodnjo tekočih elektrolitov pa lahko zadovoljijo potrebe proizvodnje in raziskav.
Slabosti:
-
- Nizka prevodnost, za pravilno delovanje je potrebno segrevanje na 60 stopinj Celzija.
- Slaba stabilnost, nezdružljiv z visokonapetostnimi katodnimi materiali in nagnjen k vžigu pri visokih temperaturah.
- Ozko elektrokemijsko okno, pri čemer se elektrolit zlahka razgradi pri visokih napetostnih razlikah (> 4 V).
B. Sulfid
Prednosti:
-
- Najvišja prevodnost in široko polje elektrokemične stabilnosti (nad 5 V), zaradi česar je najbolj obetaven za razvoj.
Slabosti:
-
- Slaba toplotna stabilnost, saj se toplotna reakcija začne pri temperaturi od 400 do 500 °C.
- Zapleten postopek priprave in nagnjenost k reakciji z vodo in kisikom v zraku, pri čemer nastane zelo strupen plin vodikov sulfid.
C. Oksid
Prednosti:
-
- Dobra prevodnost in stabilnost, večja ionska prevodnost kot pri polimerih, toplotna stabilnost do 1000 stopinj Celzija ter odlična mehanska in elektrokemična stabilnost.
Slabosti:
-
- Manjša prevodnost v primerjavi s sulfidi.
- Težave s togim stikom vmesnika.
Različni proizvajalci baterij trenutno izvajajo različne raziskave. Kitajska in Združene države Amerike se osredotočajo predvsem na oksidne poti, hkrati pa raziskujejo nove poti. Japonska podjetja, kot je Honda, dajejo prednost sulfidni poti. Zaradi relativno nižjih stroškov raziskav in težavnosti je več poltrdnih baterij do leta 2024 dočakalo komercialno uporabo v oksidnem sistemu. Z dolgoročne perspektive pa sulfidni trdni elektrolit kljub veliki težavnosti raziskav s svojo odlično zmogljivostjo in velikim potencialom še naprej privablja znatne naložbe in raziskovalna prizadevanja dobro kapitaliziranih baterijskih podjetij.
Tri glavne poti za polprevodniške baterije
Prednosti polprevodniških baterij
Visoka energijska gostota:
Z uporabo elektrolitov v trdnem stanju se sistem materialov za litij-ionske baterije bistveno spremeni. Ključna sprememba je odprava potrebe po litij-interkaliranih grafitnih anodah. Trdno stalne baterije lahko kot anodni material uporabljajo kovinski litij. Teoretična specifična zmogljivost kovinskega litija je 3860 mAh/g v primerjavi z le 372 mAh/g za grafitno anodo v tradicionalnih litij-ionskih baterijah. To omogoča, da baterije presežejo kemijske omejitve in dosežejo višje ravni zmogljivosti.
Manjši volumen:
Tradicionalne litij-ionske baterije potrebujejo separatorje in elektrolite, ki skupaj zavzemajo skoraj 40% prostornine baterije in 25% njene mase. Če jih nadomestimo s trdnimi elektroliti (predvsem organskimi in anorganskimi keramičnimi materiali), lahko razdaljo med pozitivno in negativno elektrodo (tradicionalno zapolnjeno z ločevalniki in elektroliti, zdaj pa s trdnimi elektroliti) zmanjšamo na le nekaj do nekaj deset mikrometrov. To pomeni, da so baterije lahko manjše, zato je tehnologija trdnih baterij ključni korak k miniaturizaciji baterij.
Visoka plastičnost:
Prednost uporabe keramike kot trdnih elektrolitov je, da je presenetljivo plastična, čeprav je keramika v vsakdanjem stiku krhka. Tudi po več sto upogibih ali pregibih ostanejo zmogljivost baterije, učinkovitost polnjenja in praznjenja ter življenjska doba skoraj nespremenjeni. To pomeni, da je mogoče polprevodniške baterije izdelati v kakršni koli obliki, kar omogoča večjo prilagodljivost pri oblikovanju elektronskih naprav, kar lahko vodi do inovativnih oblik in struktur ter spodbuja tehnološke inovacije izdelkov.
Povečana varnost:
Pri tradicionalnih litij-ionskih baterijah lahko uporaba kovinskega litija kot anodnega materiala povzroči nastanek dendritov med polnjenjem in praznjenjem. Dendriti so iglam ali drevesom podobne strukture, ki nastanejo zaradi neenakomernega nalaganja litij kovine v elektrolitu. Ti dendriti lahko rastejo in potencialno prodrejo v separator ter povzročijo neposreden stik med pozitivno in negativno elektrodo, kar vodi do kratkega stika in po možnosti do požara ali eksplozije.
Poleg tega so organski tekoči elektroliti v tradicionalnih baterijah nagnjeni k stranskim reakcijam, oksidaciji, nastajanju plinov in izgorevanju pri visokih temperaturah. Trdni materiali se lahko tem težavam popolnoma izognejo.
Boljše delovanje pri visokih in nizkih temperaturah:
Temperaturno območje delovanja trenutno napovedanih polprevodniških baterij je od -20 °C do 105 °C. Elektroliti litij-ionskih baterij uporabljajo vnetljiva organska topila, kar predstavlja tveganje v okoljih z visokimi temperaturami. Elektroliti baterij v trdnem stanju ne uporabljajo vnetljivih materialov, zato so primerni za uporabo pri višjih temperaturah.
Pri nizkih temperaturah lahko mobilnost ionov v tekočih elektrolitih postane počasna, kar zmanjša zmogljivost in napetost baterije. Trdni elektroliti ne zmrznejo kot tekočine, zato so spremembe notranjega upora minimalne, kar omogoča boljše delovanje pri nizkih temperaturah.
Primerjava litij-ionskih baterij in polprevodniških baterij
| Funkcija | Litij-ionska baterija | Polprevodniška baterija |
|---|---|---|
| Energijska gostota | 150-250 Wh/kg | 250-500 Wh/kg |
| Vrsta elektrolita | Tekoči ali gelski elektrolit | Trdni elektrolit |
| Varnost | Nevarnost uhajanja, požara in eksplozije | Manjše tveganje, večja stabilnost |
| Delovna temperatura | od -20 °C do 60 °C | -30 °C do 100 °C |
| Življenjski cikel | 500-1000 ciklov | 1000-3000 ciklov |
| Stroški | Relativno nizka | Trenutno visoka |
| Kompleksnost proizvodnje | Vzpostavljeni postopki | Kompleksni, manj uveljavljeni |
| Komercialna razpoložljivost | Široko na voljo | Omejeno, v razvoju |
Tri glavne poti za polprevodniške baterije
QuantumScape
Ozadje podjetja: Podjetje QuantumScape je bilo ustanovljeno leta 2010, vodi pa ga predsednik in izvršni direktor Dr. Jagdeep Singh. Podjetje ima sedež v San Joseju v Kaliforniji, deluje pa v ZDA in na Japonskem.
Tehnologija: Podjetje QuantumScape se osredotoča na tehnologijo oksidov. Njihova polprevodniška baterija je edinstvena, saj nima vnaprej določenega anodnega materiala. Med polnjenjem se čista kovinska litija pretvori v litijeve ione, ki migrirajo na drugo stran baterije in tvorijo anodo, kar imenujejo "brez anode". To omogoča njihov patentiran keramični material, ki se uporablja za separator baterije in omogoča prosto gibanje litijevih ionov, hkrati pa preprečuje, da bi kovinski litij reagiral s katodnim materialom in tvoril dendrite.
Prednosti: QuantumScape je ustvaril več kot 200 patentov in aplikacij. Njihov patentirani keramični separator v trdnem stanju v kombinaciji z organskimi tekočimi elektroliti (katolitom) omogoča uporabo katolitnih materialov po meri, ki so primernejši za zahteve glede napetosti in prenosa katode.
Najnovejši napredek: 27. marca 2024 je podjetje QuantumScape strankam začelo dobavljati prototipe Alpha-2.
Solidna moč
Ozadje podjetja: John Van Scoter je od junija 2023 glavni izvršni direktor in predsednik. Družba Solid Power sodeluje z BMW in Fordom ter ima sedež v Louisvillu v Koloradu.
Tehnologija: Družba Solid Power se osredotoča na sulfidno tehnologijo, ki jo poganja njihov patentiran trdni elektrolit na osnovi sulfidov. Katodni material je NMC, podjetje pa ima dve baterijski tehnologiji, ki uporabljata različne anodne materiale: eno z visoko vsebnostjo silicija in drugo s kovinskim litijem.
Prednosti: Ključna sestavina družbe Solid Power je njihov trdni elektrolit na osnovi sulfidov, ki zagotavlja optimalno kombinacijo prevodnosti, možnosti izdelave in zmogljivosti baterije.
Najnovejši napredek: Družba Solid Power je 16. januarja 2024 s podjetjem SK podpisala nov sporazum o poglobitvi partnerstva.
Dyson (Sakti3)
Ozadje podjetja (Dyson): Dyson je britansko tehnološko podjetje, specializirano za izdelke za gospodinjstvo, z ekipo 1200 znanstvenikov in inženirjev. Podjetje Dyson je pred več kot desetletjem začelo z lastnim programom za baterije.
Ozadje podjetja (Sakti3): Leta 2015 je podjetje Sakti3 prevzel Dyson Ltd. Podjetje Sakti3 so leta 2007 soustanovili Dr. Ann Marie Sastry, Dr. Chia-Wei Wang in Dr. Fabio Albano kot spin-out z Univerze v Michiganu.
Tehnologija: Sakti3 uporablja tehnologijo nanašanja tankih plasti, ki se običajno uporablja pri fotonapetostnih sončnih celicah. Njihove trdne baterije nimajo tekočih elektrolitov, temveč uporabljajo "sendvič" strukturo, ki zagotavlja normalen prenos ionov.
Prednosti: Družba Dyson je razkrila, da lahko polprevodniške baterije Sakti3 dosežejo izjemno visoko energijsko gostoto 550 Wh/kg, kar je skoraj dvakrat več od največje energijske gostote 300 Wh/kg za ternarne litijeve baterije.
Najnovejši napredek: Družba Dyson je 16. junija 2023 napovedala, da namerava v Singapurju odpreti napreden proizvodni obrat za baterije naslednje generacije.
Toyota
Ozadje podjetja: Toyota se od leta 2006 ukvarja z razvojem polprevodniških baterij, pri čemer se osredotoča na sulfidno tehnologijo. Ima več kot 1300 patentov za polprevodniške baterije in sedež v Tokiu na Japonskem.
Tehnologija: Toyotine razkrite informacije kažejo na osredotočenost na sulfidno tehnologijo.
Prednosti: Toyota ima 1331 patentov, povezanih s polprevodniškimi baterijami, ki zajemajo strukturo baterij, uporabo materialov in proizvodne postopke, s čimer je podjetje z največ patenti na svetu. Komercialno proizvodnjo nameravajo začeti med letoma 2026 in 2027.
Najnovejši napredek: Toyota je 13. junija 2024 objavila tehnološki preboj, ki rešuje dolgoletni izziv vzdržljivosti baterij.
Ampcera
Ozadje podjetja: Ampcera ima sedež v Silicijevi dolini v Kaliforniji, ustanovljena pa je bila leta 2017. Glavni izvršni direktor je Dr. Sumin Zhu.
Tehnologija: Ampcerina tehnologija ASSB vključuje sulfidne trdne elektrolite z zaščito IP, ki so zasnovani za izjemno hitro polnjenje. Uporabljajo katode NMC z visoko zmogljivostjo in anode na osnovi silicija za doseganje ciljne gostote energije 400 Wh/kg.
Prednosti: Ampcerina tehnologija baterij v celoti v trdnem stanju (ASSB) je dosegla hitro polnjenje od 0 do 80% stanja napolnjenosti (SOC) v 15 minutah pri najvišji hitrosti C 4C.
Najnovejši napredek: 25. februarja 2024 je Ampcerina baterijska tehnologija, ki je v celoti polprevodniška, presegla cilj ameriškega ministrstva za okolje za ekstremno hitro polnjenje, ki je 80% napolniti v 15 minutah.
Samsung SDI
Ozadje podjetja: Družba Samsung SDI ima sedež v mestu Yongin, Gyeonggi-do, Južna Koreja, generalni direktor pa je Yoon Ho Choi.
Tehnologija: Podjetje se osredotoča na sulfidne elektrolite, pri čemer uporablja kompozitno anodo Ag-C brez odvečnega litija. Plast Ag-C učinkovito uravnava odlaganje litija, s čimer se doseže dolga življenjska doba elektrokemičnega cikla.
Prednosti: Tehnologija polprevodniških baterij Super-Gap družbe Samsung SDI ima energijsko gostoto 900 Wh/L, kar je približno 40% več kot sedanje litij-ionske baterije. Trdijo, da lahko prizmatično celico napolnijo z 8% na 80% v 9 minutah. Množična proizvodnja je načrtovana za leto 2026.
Najnovejši napredek: Marca 2024 je Samsung SDI napovedal, da namerava do leta 2027 začeti množično proizvodnjo polprevodniških baterij za električna vozila in druge aplikacije.
Kitajski proizvajalci
Kitajski proizvajalci baterij so bolj diskretni, vendar je znano, da BYD in . CATL razvijajo polprevodniške baterije. Na svetovni ravni je 20.798 patentnih prijav za ključne tehnologije za polprevodniške baterije, od tega na Kitajskem 7640 ali 36,71 %TP6T. V zadnjih petih letih je kitajska letna stopnja rasti patentnih prijav za polprevodniške baterije znašala 20,8%, kar je največ na svetu.
Mnenja drugih vodilnih v panogi o polprevodniških baterijah
Izzivi polprevodniških baterij
Visoki stroški
Pri sulfidni poti stroški trdnih elektrolitov iz sulfidov trenutno presegajo $195 na kilogram, veliko višja od $50 na kilogram, ki je potrebna za komercializacijo. To vprašanje je posledica visokih stroškov litijevega sulfida (najmanj $650 na kilogram), ki so potrebni za sintezo sulfidnih trdnih elektrolitov. Poleg tega so zaradi visoko zmogljivih materialov (kot je keramika visoke čistosti) in zapletenih proizvodnih postopkov, ki se uporabljajo v trdnih baterijah, njihovi stroški bistveno višji od stroškov tradicionalnih litij-ionskih baterij.
Težave v proizvodnji
Če se uporablja sulfidni trdni elektrolit, je proizvodnja zahtevna zaradi nagnjenosti elektrolita k reakciji z vlago in kisikom. To zahteva zelo nadzorovano proizvodno okolje, najbolje v zaprti komori, napolnjeni z inertnim plinom.
Nizka ionska prevodnost
Pri baterijah v trdnem stanju se stik med elektrodo in elektrolitom spremeni iz stika trdna-tekoča v stik trdna-trdna snov. V primerjavi s tekočimi elektroliti je kontaktna površina med trdnimi snovmi manjša, zato je medfazni upor večji. Poleg tega trdni elektroliti vsebujejo veliko meja zrn, ki imajo pogosto večjo upornost kot osnovni material, kar ovira prenos litij-ionov med elektrodami in negativno vpliva na zmogljivost hitrega polnjenja in življenjsko dobo cikla.
Slaba življenjska doba cikla
Stik med trdnim in trdnim delom v polprevodniških baterijah je bolj tog, zato je bolj občutljiv na spremembe prostornine elektrodnih materialov. Med cikliranjem lahko pride do slabega stika med delci elektrod ter med delci elektrod in elektrolitom., kar povzroča kopičenje napetosti, slabšanje elektrokemijskih lastnosti in celo razpoke, ki lahko hitro zmanjšajo zmogljivost in vodijo v slabšo življenjsko dobo cikla.
Kdaj bodo na voljo polprevodniške baterije?
Do julija 2024 ni bilo na voljo nobenih resnično komercialno dostopnih polprevodniških baterij. Kitajski proizvajalci avtomobilov, ki trdijo, da uporabljajo poltrdne baterije, v resnici uporabljajo poltrdne baterije z zmanjšano vsebnostjo tekočine. Podobno kot pri litijevih baterijah, ki so potrebovale desetletja za prehod od tehnološke zasnove do široke uporabe, številni strokovnjaki menijo, da polprevodniške baterije potrebujejo še daljše obdobje za potrditev in tehnološki preboj.
Vendar čakanje morda ne bo neskončno dolgo. Velik potencial polprevodniških baterij je spodbudil močno konkurenco in pospešil napredek na tem področju. Številni proizvajalci so si za leto 2027 zastavili leto, ko bodo začeli komercialno uporabljati polprevodniške baterije. Spremljajmo razvoj dogodkov, ko se industrija približuje temu ambicioznemu cilju.
Prihranite denar, zaščitite okolje
PKNERGY vam pomaga zmanjšati račune za energijo za shranjevanje sončne energije v vašem domu, shranite sončno energijo za uporabo kadar koli - ponoči ali med izpadom.
SL 
EN 
ES 
DE 
PT 
AR 
KU 
ID 
RU 
KO 
FR 
IT 
BG 
NL 
CS 