Πώς λειτουργούν οι μπαταρίες λιθίου στερεάς κατάστασης;

Αν και οι παραδοσιακές μπαταρίες πολυμερούς λιθίου (LIPO) έχουν γίνει mainstream, τα σημεία συμφόρησης της ασφάλειας και της ενεργειακής πυκνότητας έχουν γίνει ολοένα και πιο εμφανή. Σε αντίθεση με τις παραδοσιακές μπαταρίες ιόντων λιθίου που βασίζονται σε υγρούς ηλεκτρολύτες, οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης υιοθετούν μια εντελώς διαφορετική προσέγγιση. Αυτός ο καινοτόμος σχεδιασμός αναμένεται να προσφέρει υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα, μεγαλύτερη ασφάλεια και μεγαλύτερη διάρκεια ζωής.

Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης κινούνται από το εργαστήριο στην πρώτη γραμμή των εφαρμογών. Λοιπόν, πώς λειτουργεί ακριβώς αυτή η πολυαναμενόμενη τεχνολογία; Πώς θα αλλάξει το μέλλον των αεροσκαφών;

Η διαδικασία εργασίας των μπαταριών στερεάς κατάστασης είναι μακροσκοπικά παρόμοια με αυτή των μπαταριών λιθίου-πολυμερούς, που εξακολουθούν να περιλαμβάνουν τη μετανάστευση ιόντων λιθίου μεταξύ των θετικών και των αρνητικών ηλεκτροδίων. Ωστόσο, οι μεθόδους εφαρμογής σε μικρο -επίπεδο επιφέρουν έναν κόσμο διαφοράς.

Στερεά ηλεκτρολύτες: Είναι συνήθως κατασκευασμένα από ειδικά στερεά υλικά όπως κεραμικά, σουλφίδια ή πολυμερή. Αυτά τα υλικά έχουν εξαιρετικά υψηλή ιοντική αγωγιμότητα, επιτρέποντας τα ιόντα λιθίου να περάσουν γρήγορα, ενώ ταυτόχρονα μοιάζουν με μονωτικά ηλεκτρόνια, συνδυάζοντας τέλεια τις δύο κύριες λειτουργίες της αγωγιμότητας και της απομόνωσης.

Ηλεκτρόδιο υψηλής χωρητικότητας

Η καινοτομία ανόδου: Ένα από τα πιο συναρπαστικά δυναμικά των μπαταριών στερεάς κατάστασης είναι η ικανότητα να χρησιμοποιείται άμεσα μέταλλο λιθίου ως άνοδο. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι ο στερεός ηλεκτρολύτης μπορεί να αναστέλλει αποτελεσματικά την ανάπτυξη δενδριτών λιθίου και η διείσδυση των δενδριτών μέσω του διαχωριστή είναι η κύρια αιτία βραχυκυκλώματος και πυρκαγιών σε υγρές μπαταρίες.

Θετική αναβάθμιση ηλεκτροδίου: Συνδυάζοντας υλικά θετικών ηλεκτροδίων υψηλής τάσης και υψηλής χωρητικότητας (όπως τριμερές τριμερές, πλούσιο σε λίθιο, που βασίζονται σε μαγγάνιο ή ακόμη και θετικά ηλεκτρόδια θείου), το ενεργειακό δυναμικό ολόκληρου του συστήματος μπαταρίας μπορεί να εκμεταλλευτεί πλήρως.

Διαδικασία εργασίας

Όταν μια μπαταρία φορτίζεται ή απορρίπτεται, τα ιόντα λιθίου (Li⁺) μετακινούνται εμπρός και πίσω μεταξύ των θετικών και των αρνητικών ηλεκτροδίων υπό την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου μέσω του στερεού ηλεκτρολύτη, ο οποίος χρησιμεύει ως στερεά "γέφυρα". Τα ηλεκτρόνια (e⁻) ρέουν μέσω του εξωτερικού κυκλώματος, σχηματίζοντας έτσι ένα ηλεκτρικό ρεύμα για να τροφοδοτήσουν το μη επανδρωμένο εναέριο όχημα.

Σε σχεδιασμό μπαταριών στερεάς κατάστασης, τι μπορεί να αντικαταστήσει τους υγρούς ηλεκτρολύτες;

Στις παραδοσιακές μπαταρίες ιόντων λιθίου, ο υγρός ηλεκτρολύτης χρησιμεύει ως μέσο για τη διάδοση των ιόντων μεταξύ της ανόδου και της καθόδου κατά τη διάρκεια της φόρτισης και της εκφόρτισης κύκλων. Ωστόσο, ο σχεδιασμός μπαταρίας στερεάς κατάστασης αντικαθιστά αυτό το υγρό με στερεά υλικά που εκτελούν την ίδια λειτουργία. Αυτός ο στερεός ηλεκτρολύτης μπορεί να κατασκευαστεί από διάφορα υλικά, συμπεριλαμβανομένων κεραμικών, πολυμερών ή σουλφιδίων.

Η επιλογή των στερεών υλικών ηλεκτρολυτών είναι ζωτικής σημασίας, καθώς επηρεάζει άμεσα την απόδοση, την ασφάλεια και την παραγωγή της μπαταρίας.

Τα πολυμερές ηλεκτρολύτες είναι κατασκευασμένα από οργανικά υλικά και έχουν μια σειρά διαφορετικών πλεονεκτημάτων:

1. Ευελιξία: Μπορούν να προσαρμοστούν στις αλλαγές όγκου των ηλεκτροδίων κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ποδηλασίας.

2. Εύκολο στην κατασκευή: Οι ηλεκτρολύτες πολυμερούς μπορούν να υποβληθούν σε επεξεργασία χρησιμοποιώντας απλούστερες και πιο οικονομικά αποδοτικές μεθόδους.

3. Βελτιωμένη διεπαφή: Συνήθως σχηματίζουν μια καλύτερη διασύνδεση με το ηλεκτρόδιο, μειώνοντας έτσι την αντίσταση.

Μία από τις βασικές προκλήσεις του σχεδιασμού μπαταρίας στερεάς κατάστασης, ανεξάρτητα από τον τύπο του χρησιμοποιούμενου στερεού ηλεκτρολύτη, είναι η βελτιστοποίηση της διεπαφής μεταξύ του ηλεκτρολύτη και του ηλεκτροδίου. Σε αντίθεση με τους υγρούς ηλεκτρολύτες που είναι εύκολο να τηρήσουν τις επιφάνειες των ηλεκτροδίων, οι στερεοί ηλεκτρολύτες πρέπει να σχεδιαστούν προσεκτικά για να εξασφαλίσουν καλή επαφή και αποτελεσματική μεταφορά ιόντων.

Οι ερευνητές διερευνούν διάφορες στρατηγικές για τη βελτίωση αυτών των διεπαφών, όπως:

1. Επικάλυψη επιφάνειας: Εφαρμόστε μια λεπτή επίστρωση στο ηλεκτρόδιο ή στον ηλεκτρολύτη για να βελτιώσετε τη συμβατότητα και τη μεταφορά ιόντων.

2. Νανδομισμένες διεπαφές: Δημιουργήστε χαρακτηριστικά νανοκλίμακας στις διεπαφές για να αυξήσετε την επιφάνεια και να βελτιώσετε την ανταλλαγή ιόντων.

3. Συγκρότημα με υποβοηθούμενη πίεση: Η ελεγχόμενη πίεση χρησιμοποιείται κατά τη διάρκεια της διαδικασίας συναρμολόγησης της μπαταρίας για να εξασφαλιστεί καλή επαφή μεταξύ των εξαρτημάτων.

Σύναψη:

Η αρχή λειτουργίας των μπαταριών στερεάς κατάστασης δεν είναι απλώς μια απλή αντικατάσταση υλικού, αλλά μια επανάσταση του παραδείγματος που μετατοπίζεται από τη μετανάστευση υγρών ιόντων σε αγωγιμότητα ιόντων στερεάς κατάστασης. Παρέχει ενέργεια με μεγαλύτερη ασφάλεια και αποτελεσματικά μέσα από μια ανθεκτική "γέφυρα ιόντων στερεάς κατάστασης". Για τα αεροσκάφη, αυτό δεν είναι απλώς για την αντικατάσταση μιας μπαταρίας. Σηματοδοτεί την αρχή μιας ολοκαίνουργιας εποχής της πτήσης.

Η Zyebattery έχει πάντα επικεντρωθεί στις τεχνολογίες ενεργειακών αιχμής. Ακολουθούμε στενά την ανάπτυξη τεχνολογιών επόμενης γενιάς, όπως οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης και δεσμεύονται να παρέχουν στην αγορά ασφαλέστερες και ισχυρότερες λύσεις ισχύος drone στο μέλλον, βοηθώντας τους πελάτες μας να πετούν υψηλότερα, πιο μακριά και με μεγαλύτερη ασφάλεια.