Nowe akumulatory to rewolucja w smartfonach. W czym zatem problem?
Autor:
Adam Lulek
Kategoria:
Artykuły
Akumulatory litowo-jonowe (Li-ion) to ładowalne ogniwo dla smartfonów i większości współczesnych gadżetów zasilanych bateryjnie. Pomimo ich dominacji, akumulatory litowo-jonowe mają ograniczoną moc, stosunkowo krótką żywotność i mogą stać się zagrożeniem pożarowym w przypadku uszkodzenia lub nieprawidłowego naładowania. Te niedogodności mogą pozostać przeszłością w niezbyt odległej przyszłości, jeśli gadżety przejdą na technologie baterii ze stałym elektrolitem (albo inaczej baterii półprzewodnikowej).
Warto przeczytać:
Nowe akumulatory
Nowe badania przeprowadzone przez zespół inżynierów Columbia University (za pośrednictwem phys.org), odkryły metodę stabilizacji stałych elektrolitów w litowo-metalowych bateriach półprzewodnikowych. Zastosowanie nanopowłoki z azotku boru pozwala produkować akumulatory, które oferują do 10 razy większą pojemność niż akumulatory litowo-jonowe na bazie grafitu. Ponadto elektrolity ceramiczne często stosowane w konstrukcji baterii półprzewodnikowych są niepalne, co zmniejsza obawy o bezpieczeństwo.
Technologia baterii półprzewodnikowych nie jest zupełnie nowym pomysłem, ale materiały, bezpieczeństwo projektowania, koszty i techniki produkcji utrudniają jego przyjęcie. W związku z powyższym należy zrozumieć, dlaczego tkwimy w tradycyjnych bateriach litowo-jonowych i dlaczego nie są one tak łatwe do wymiany.
Kłopot z dendrytami
Oprócz kosztów, dendryty są największym problemem w przypadku baterii półprzewodnikowych. Dendryt jest podobnym do kryształu nagromadzeniem litu metalicznego, który zwykle zaczyna się na anodzie i może rosnąć w całej baterii. Dzieje się tak w wyniku wysokiego ładowania i rozładowywania, gdzie jony w stałym elektrolicie łączą się z elektronami, tworząc warstwę metalu litowego.
Wzrost dendrytów zmniejsza dostępną pojemność elektrolitu baterii, zmniejszając jej ładunek. Co gorsza, duże nagromadzenie dendrytów ostatecznie przebije separator katody/anody akumulatora, powodując zwarcie, które zniszczy akumulator i może spowodować pożar.
Dlaczego tkwimy w akumulatorach litowo-jonowych?
Dzisiejsze akumulatory litowo-jonowe omijają problem dendrytów, wykorzystując ciekłe elektrolity, a nie stały metal, który pozwoliłby na zapakowanie jonów bliżej siebie w celu uzyskania większej pojemności. Niestety, ciecz ta jest łatwopalna, co może spowodować spalanie akumulatorów litowo-jonowych pod wysokim ciśnieniem, ciepłem lub prądem. Grafit jest następnie często stosowany w interkalowanym materiale anody litowej, oferując długoterminową stabilność przy pewnych kosztach maksymalnego przepływu ładunku. Grafen i stopy na bazie krzemu doświadczyły wielu eksperymentów w celu poprawy wydajności.
To wszystko razem: chemikalia, materiały i konstrukcja akumulatorów litowo-jonowych ograniczają tworzenie się dendrytów, zasadniczo redukując i kontrolując przepływ jonów. Kompromis to utrata gęstości i pojemności akumulatora oraz zwiększona palność i potrzeba ochrony. Z kolei ogniwa litowo-metalowe są uważane za święty Graal akumulatorów, ale są znacznie trudniejsze do stabilizacji niż ciekłe ogniwa litowo-jonowe.
Zobacz także: Jaki będzie aparat w iPhonie 11?
Nowe badania rozwiążą problem?
Badania zespołu Columbia University Engineering, przeprowadzone z kolegami z Brookhaven National Lab i City University of New York, oferują rozwiązanie problemu dendrytów dla baterii półprzewodnikowych.
Nanofolia z 5 do 10 nm azotku boru (BN) izoluje metal litowy i przewód jonowy. Izolacja dwóch warstw zapobiega gromadzeniu się dendrytów lub zwarciom, ale jest wystarczająco cienka, aby zmaksymalizować gęstość energii akumulatora. Technologia wykorzystuje również niewielką ilość ciekłego elektrolitu, ale w projekcie zastosowano głównie ceramiczną, półprzewodnikową konstrukcję zapewniającą maksymalną pojemność energetyczną. Ta warstwa BN została zaprojektowana z wbudowanymi defektami, umożliwiającymi przejście jonów litu w celu naładowania i rozładowania baterii.
W skrócie, zespół stworzył bardzo cienką barierę, która zapobiega występowaniu dendrytów. To z kolei umożliwia stosowanie bardzo zwartych elektrolitów ceramicznych, które oferują większą pojemność niż tradycyjne baterie litowo-jonowe, zmniejszają ryzyko pożaru i wydłużają żywotność baterii. Kolejny etap badań obejmie szerszą gamę niestabilnych elektrolitów stałych i zajmie się optymalizacją produkcji.
Źródło: androidauthority