Готовьтесь к новым достижениям в технологии батарей в 2021 году

С тех пор, как Вольта в 1800 году открыл, что определенные жидкости могут генерировать поток электрической энергии в результате химической реакции, началась эра батарей. Мало кто мог предположить, что Вольта будет удостоен чести иметь единицу измерения, названную его именем (вероятно, одной из величайших честей для ученого), и его открытие будет лежать в основе всей мобильной технологии, используемой сегодня. Переместимся в наше время, и мы увидим, что фундаментальная структура батарей все еще соответствует той, что использовалась в элементе Даниэлла, впервые представленном в 1836 году.

Сегодня дискуссии о батареях сосредоточены на их использовании как на средствах, позволяющих другим технологиям работать, таких как поддержка источников возобновляемой энергии и электромобилей. Несмотря на исторические и недавние достижения в технологии батарей, многие проблемы все еще остаются в плане их экологичности, дешевизны и безопасности при высоких разрядах. Однако многие компании работают над разработкой новых материальных платформ для батарей без кардинальных изменений в химии батарей.

Сегодняшние проблемы батарей

Проблемы, существующие в современных батареях и системах хранения энергии, сосредоточены вокруг безопасности и экологичности. Современная химия батарей, обеспечивающая наилучшую передачу энергии, - это Li-ion, которая также имеет наибольшие риски безопасности, но по емкости она все еще сопоставима с никель-металлической химией. Поскольку литиевая химия уже предлагает некоторые преимущества в плане передачи энергии, она стала объектом дальнейшего развития и улучшений. Несмотря на свои преимущества, у Li-ion батарей есть свои недостатки:

• Срок службы: Здесь мы говорим о общем полезном сроке службы батареи, а не о емкости заряда. Срок службы Li-ion батарей сильно зависит от глубины заряда/разряда, скорости заряда/разряда, количества циклов зарядки, рабочей температуры и геометрии элемента. 

• Безопасность зарядки/разрядки: Li-ion батареи требуют схемы мониторинга и защиты питания для предотвращения перегрева и перезарядки. Аналогично, во время цикла разряда, схема защиты ограничивает скорость разряда, чтобы напряжение элемента не падало слишком низко. 

• Форм-фактор против емкости: Хотя смартфоны стали тоньше, размер батареи увеличился для обеспечения большей емкости. В результате больше компонентов интегрируется в SoC и на гибкие платы, чтобы освободить место для более крупных батарей. Желательно увеличить емкость без увеличения физического размера батареи.

• Переработка: Бурный рост новых электромобилей, которые предполагается запустить в ближайшем будущем, вызывает серьезные опасения по поводу конца срока службы Li-ion батарей. Могут потребоваться новые материалы и структуры батарей, чтобы снизить энергию, необходимую для переработки Li-ion батареи.

Литий-ионные полимерные аккумуляторные батареи обеспечивают гибкий форм-фактор с конкурентоспособной ёмкостью и характеристиками заряда/разряда. Новые материалы могут обеспечить большую безопасность при более высокой мощности и ёмкости.

Прогресс в технологии батарей начинается с материалов

Самые последние достижения в технологии батарей сосредоточены на отходе от щелочной химии и химии никель-металла в пользу литиевой химии. Предстоящие прорывы в технологии батарей в основном сосредоточены на материалах, которые решают вышеупомянутые проблемы, и не обязательно на внешних методах управления питанием и компонентах. Если посмотреть на индустрию батарей, есть две области, где компании инновируют с новыми материалами: электроды и электролиты.

Полупористые материалы анода/катода

Пористые материалы предоставляют некоторые уникальные преимущества в материалах анода и катода батарей, если они могут обеспечить низкое сопротивление и высокую теплопроводность, последнее из которых решает основную проблему безопасности в батареях высокой мощности/высокой ёмкости для электромобилей. Один из примеров материала анода - графит, покрытый углеродными нанолентами, который может быть легко интегрирован в существующие аноды для литий-ионных батарей. Пористая структура этого конкретного материала обеспечивает большую активную поверхность, что позволяет увеличить поток заряда в/из анодного вывода и большее хранение литий-иона, чем у твердого графитового электрода.

Полностью твердотельные батареи

Твердотельные батареи интересны тем, что они позволяют заменить воспламеняющийся жидкий электролит на невоспламеняющийся твердый электролит. Литий также представляет интерес, поскольку это позволило бы сохранить химию этих систем. Ранее в этом году Samsung объявила о разработке платформы для полностью твердотельных литий-ионных батарей. Батарея Samsung использовала композитный материал из серебра и углерода в качестве анода для подавления дендритного роста от металлического анода. Эти батареи пока не доступны в коммерческой продаже, хотя известно, что использование твердых электролитов безопаснее по сравнению с жидкими электролитами, используемыми в сегодняшних коммерческих батареях.

Компании вроде Toyota, Nissan и поддерживаемая VW Quantumscape разрабатывают собственные платформы твердотельных батарей для электромобилей. После коммерциализации эти платформы могут стать переломными для электромобилей, так как они могут предложить большую дальность хода в более компактном пакете без увеличения времени зарядки. Это снова направляет внимание на разработчиков плат, чтобы создать лучшие системы управления для поддержки платформ батарей транспортных средств, которые безопасны и имеют максимально возможную эффективность.

Материалы сепараторов

Это все еще область научных исследований, поскольку сепараторные мембраны должны быть высокопрочными и пористыми. В коммерческих литий-ионных батареях в качестве сепаратора используется полиолефин, и любой новый материал сепаратора должен обеспечивать высокий обмен ионами без генерации избыточного тепла. Также он должен обладать высокой механической прочностью и химической стабильностью. Исследователи все еще изучают новые материалы сепараторов, чтобы удовлетворить этим требованиям без значительных изменений в химии батареи или ее электрических характеристиках.

Некоторые примеры материалов для сепараторных мембран. [Источник]

Почему акцент делается на использовании уже коммерциализированных материальных платформ? Текущая химия, используемая в ведущих промышленных батареях (щелочная или литиевая химия), была тщательно изучена и одобрена с точки зрения безопасности как государственными регуляторами, так и самой батарейной промышленностью. Как только вы меняете класс материалов, вы также меняете химию, и обширный процесс оценки начинается снова. Поэтому многие в индустрии не спешат отказываться от существующих материальных платформ; инвестиции и риски слишком велики.

По мере того как дальнейшие достижения в технологии батарей приводят к новым продуктам, мы будем здесь, чтобы держать вас в курсе последних новостей и анализа. Когда вы ищете новую долговечную батарею высокой емкости и компоненты управления питанием для вашей следующей системы, используйте расширенные функции поиска и фильтрации на Octopart. У вас будет доступ к обширному поисковому движку с данными дистрибьюторов и спецификациями деталей, все это доступно в удобном интерфейсе. Посмотрите нашу страницу с интегральными схемами управления питанием, чтобы найти необходимые компоненты.

Оставайтесь в курсе наших последних статей, подписавшись на нашу рассылку.