Przygotuj się na nowe postępy w technologii baterii w 2021 roku

Odkąd Volta odkrył w 1800 roku, że pewne płyny mogą generować przepływ energii elektrycznej jako część reakcji chemicznej, narodziła się era baterii. Mało wiedział Volta, że będzie miał jednostkę nazwaną na swoją cześć (prawdopodobnie jedno z największych wyróżnień, jakie naukowiec może otrzymać), a jego odkrycie będzie podstawą wszystkich dzisiejszych technologii mobilnych. Przesuwając się do dzisiaj, podstawowa struktura baterii nadal odpowiada tej używanej w ogniwie Daniella, wprowadzonej po raz pierwszy w 1836 roku.

Dzisiaj rozmowy na temat baterii skupiają się na ich wykorzystaniu jako umożliwiających inne technologie, takie jak stabilizacja źródeł energii odnawialnej i pojazdów elektrycznych. Pomimo historycznych i ostatnich postępów w technologii baterii, wiele wyzwań pozostaje w kwestii czynienia baterii bardziej przyjaznymi dla środowiska, tańszymi i bezpieczniejszymi przy wysokim rozładowaniu. Jednak wiele firm pracuje nad opracowaniem nowych platform materiałowych dla baterii bez wprowadzania głównych zmian w chemii baterii.

Wyzwania dzisiejszych baterii

Wyzwania obecne w dzisiejszych bateriach i systemach magazynowania energii koncentrują się wokół bezpieczeństwa i przyjazności dla środowiska. Obecnie najlepsza w swojej klasie chemia baterii do dostarczania energii to Li-ion, która również ma największe zagrożenia bezpieczeństwa, jednak jest nadal porównywalna z chemią niklowo-metalową pod względem pojemności. Ponieważ chemia litowa już oferuje pewne zalety pod względem dostarczania energii, stała się ona przedmiotem dalszego rozwoju i ulepszeń. Pomimo swoich zalet, baterie Li-ion mają swoje wady:

• Żywotność: Tutaj mówimy o ogólnej użytecznej żywotności baterii, a nie o pojemności naładowania. Żywotność baterii Li-ion jest w dużym stopniu zależna od głębokości ładowania/rozładowania, szybkości ładowania/rozładowania, liczby cykli ładowania, temperatury pracy i geometrii ogniwa. 

• Bezpieczeństwo ładowania/rozładowywania: Baterie Li-ion wymagają obwodu monitorowania i ochrony mocy, aby zapobiegać przegrzewaniu i przeładowaniu. Podobnie, podczas cyklu rozładowania, obwód ochronny ogranicza szybkość rozładowania, aby nie dopuścić do zbyt niskiego spadku napięcia ogniwa. 

• Forma vs. pojemność: Chociaż smartfony stały się płaskie, rozmiar baterii zwiększył się, aby zapewnić większą pojemność. W rezultacie więcej komponentów jest konsolidowanych w SoC-ach i na elastycznych płytach, aby zrobić miejsce na większe baterie. Pożądane jest zwiększenie pojemności bez zwiększania fizycznego rozmiaru baterii.

• Recykling: Napływ nowych pojazdów elektrycznych, które mają pojawić się na rynku w najbliższej przyszłości, budzi poważne obawy dotyczące końca życia baterii Li-ion. Nowe materiały i struktury baterii mogą być wymagane, aby zmniejszyć energię potrzebną do recyklingu baterii Li-ion.

Pakiety baterii litowo-polimerowych zapewniają elastyczną formę przy konkurencyjnej pojemności i charakterystykach ładowania/rozładowania. Nowe materiały mogą umożliwić większe bezpieczeństwo przy wyższej dostawie mocy i pojemności.

Postępy w technologii baterii zaczynają się od materiałów

Najnowsze postępy w technologii baterii skupiają się na odejściu od chemii alkalicznej i chemii metalu niklowego na rzecz chemii litowej. Nadchodzące postępy w technologii baterii koncentrują się głównie na materiałach, które adresują wyżej wymienione wyzwania, a niekoniecznie na zewnętrznych metodach zarządzania energią i komponentach. Patrząc na branżę baterii, można wyróżnić dwa obszary, w których firmy innowują za pomocą nowych materiałów: elektrody i elektrolity.

Półporowate materiały anodowe/katodowe

Porowate materiały oferują pewne unikalne zalety w materiałach anodowych i katodowych baterii, pod warunkiem że mogą zapewnić niską rezystancję i wysoką przewodność cieplną, co adresuje główne obawy dotyczące bezpieczeństwa w bateriach o wysokiej mocy/pojemności dla pojazdów elektrycznych. Jednym z przykładów materiału anodowego jest grafit pokryty węglowymi nanotaśmami, który może być łatwo włączony do istniejących anod w bateriach litowo-jonowych. Porowata natura tego konkretnego materiału zapewnia większą aktywną powierzchnię, co pozwala na większy przepływ ładunku do/z anody oraz większe magazynowanie jonów litu niż w przypadku solidnej elektrody grafitowej.

Baterie całkowicie stałe

Baterie stałe są interesujące, ponieważ pozwalają zastąpić łatwopalny ciekły elektrolit niepalnym stałym elektrolitem. Lit również jest tutaj interesujący, ponieważ pozwoliłoby to zachować chemię tych systemów. Na początku tego roku, Samsung ogłosił rozwój platformy baterii litowo-jonowej całkowicie stałej. Bateria Samsunga używała kompozytowego materiału srebrno-węglowego jako anody, aby stłumić wzrost dendrytyczny z metalowej anody. Te baterie nie są jeszcze dostępne komercyjnie, chociaż wiadomo, że użycie stałych elektrolitów jest bezpieczniejsze w porównaniu do ciekłych elektrolitów używanych w dzisiejszych komercyjnych bateriach.

Firmy takie jak Toyota, Nissan i wspierane przez VW Quantumscape budują własne platformy baterii stałych dla pojazdów elektrycznych. Po komercjalizacji, te platformy mogą być przełomem dla pojazdów elektrycznych, ponieważ mogą oferować dłuższy zasięg w mniejszym opakowaniu bez dłuższego czasu ładowania. To zwraca uwagę z powrotem na projektantów płyt do budowy najlepszych systemów zarządzania, które wspierają platformy baterii pojazdów, które są bezpieczne i mają jak najwyższą możliwą efektywność.

Materiały separatorów

To nadal obszar badań naukowych, ponieważ membrany separatorowe muszą być wysoce trwałe i porowate. Poliolefiny są używane jako separator w komercyjnych bateriach litowo-jonowych, a każdy nowy materiał separatora musi umożliwiać wysoką wymianę jonów bez generowania nadmiernego ciepła. Musi również posiadać wysoką wytrzymałość mechaniczną i stabilność chemiczną. Badacze nadal poszukują nowych materiałów separatorowych, które spełnią te wymagania bez konieczności wprowadzania dużych zmian w chemii baterii lub jej charakterystykach elektrycznych.

Przykłady materiałów membran separatorowych. [Źródło]

Dlaczego skupiamy się na używaniu tych samych platform materiałowych, które już zostały skomercjalizowane? Obecna chemia używana w wiodących na rynku bateriach (chemia alkaliczna lub litowa) została dokładnie zbadana i zakwalifikowana pod kątem bezpieczeństwa, zarówno przez regulatorów rządowych, jak i sam przemysł baterii. Gdy zmieniasz klasę materiałów, zmieniasz również chemię, i rozpoczyna się od nowa obszerny proces oceny. Dlatego wielu w branży jest niechętnych do odchodzenia od istniejących platform materiałowych; inwestycje i ryzyko są po prostu zbyt wysokie.

W miarę jak postępy w technologii baterii prowadzą do nowych produktów, będziemy tutaj, aby informować Cię o najnowszych wiadomościach i analizach. Kiedy szukasz nowej, długotrwałej baterii o wysokiej pojemności i komponentów do zarządzania energią dla swojego następnego systemu, użyj zaawansowanych funkcji wyszukiwania i filtracji w Octopart. Będziesz miał dostęp do obszernej wyszukiwarki z danymi dystrybutorów i specyfikacjami części, wszystko to dostępne w przyjaznym interfejsie użytkownika. Zobacz naszą stronę z układami scalonymi do zarządzania energią, aby znaleźć potrzebne komponenty.

Bądź na bieżąco z naszymi najnowszymi artykułami, zapisując się do naszego newslettera.