Velké společnosti a výrobci automobilů jako Samsung a Toyota ve velkém sázejí na solid-state baterie. Zde je návod, jak fungují a proč je potřebujeme.
Jak čtete tento článek? S největší pravděpodobností se smartphonem, tabletem nebo notebookem.
Co mají všichni společného? Baterie.
Lithium-iontové dobíjecí baterie
Ano ep. Neocenitelné dobíjecí baterie na bázi lithia, které vám umožňují používat zařízení celé hodiny nebo dokonce dny v kuse a nesou v kapse milionkrát větší výpočetní výkon, než jaký přistál astronautům Apolla 11 na povrchu Měsíce v červenci 1969.
Tyto praktické kousky technologie – poprvé komerčně dostupné v roce 1991 japonskými firmami Sony a Asahi Kasei – zcela způsobily revoluci ve světě.
Lithium-iontové baterie jsou velmi efektivním způsobem ukládání energie. Oproti předchůdcům mají vysokou hustotu energie, což znamená, že na malém prostoru dokážou uložit hodně energie. Mají také dlouhou životnost a lze je mnohokrát dobíjet. Ale ještě lepší je, že nové generace jsou ve vývoji.
Dobíjecí baterie také hrají klíčovou roli v boji proti změně klimatu tím, že pohánějí e-vozidla. To je důvod, proč stále více zemí – mezi nimi Kanada, Spojené království, EU, Čína a Indie – plánuje zákaz prodeje nových vozidel na fosilní paliva. Na některých místech, jako je Norsko, začnou zákazy již v roce 2030.
A protože v úterý v Mnichově začíná každoroční německý autosalon IAA – jeden z největších na světě – mezi hlavními protagonisty jsou elektromobily a baterie.
Vyplývá to z obrovských průlomů ve světě baterií, které v posledních několika měsících oznámily velké společnosti a obří výrobci automobilů jako Samsung, Toyota, Ford a Honda.
Velká část rozruchu se týká polovodičových baterií. Slibují delší životnost, menší rozměry, rychlejší nabíjení a větší výkon. Některé společnosti tvrdí, že chtějí zahájit sériovou výrobu již v roce 2024.
Co jsou to polovodičové baterie?
Krátká odpověď: Jsou jako běžné lithiové baterie, ale lepší.
Fungují na stejných principech, akorát bez jakýchkoliv tekutých složek uvnitř. Tato baterie na vašem smartphonu má tekutou složku zvanou elektrolyt, která umožňuje lithným iontům volně proudit. A to nakonec pohání vaše zařízení.
Proč je potřebujeme?
Běžné lithiové baterie s tekutým elektrolytem musí být dost velké, aby mohly napájet něco o velikosti auta. Mají bezpečnostní problémy a mohou bobtnat v důsledku změn teploty nebo netěsnosti, když jsou příliš zmáčknuty. Kapalina uvnitř je také hořlavá.
Jak pravděpodobně víte, baterie vašeho telefonu obvykle nevydrží příliš dlouho. Každý pociťoval úzkost „můj-telefon-baterie-umírá“. I když jsou konvenční lithium-iontové baterie lepší než jejich předchůdci, energetická hustota by mohla být zlepšena. Nabíjejí se také pomalu a mají omezenou životnost. To je činí méně než ideálními pro mnoho aplikací, mezi něž patří e-vozidla, spolu s lékařskými zařízeními, jako jsou kardiostimulátory nebo elektrická letadla.
V čem jsou polovodičové baterie lepší?
Pevné baterie mají vyšší hustotu energie než standardní lithium-iontové protějšky, což znamená, že mohou uložit více energie ve stejném objemu. To se může promítnout do elektrických vozidel nebo chytrých telefonů s delším dojezdem, které vydrží několik dní na jedno nabití, a také do menších a lehčích baterií pro přenosná zařízení. A kdo ví? Dokonce by jednoho dne mohli udělat z elektrického letu proveditelný scénář.
Pevné baterie se také mohou nabíjet rychleji než baterie s tekutým elektrolytem, takže jsou vhodnější pro elektrická vozidla a další aplikace, kde je důležité rychlé nabíjení. Už žádné čekání pět hodin, než se vrátíte na cestu!
Pevné baterie jsou také bezpečnější. Vzhledem k tomu, že je méně pravděpodobné, že se vznítí nebo explodují než tekuté baterie, jsou vhodnější pro použití v aplikacích, kde jde o bezpečnost, jako jsou elektrická vozidla a drony.
Tedy alespoň podle teorie. Výroba skutečné komerčně dostupné polovodičové baterie za dostupnou cenu je úplně jiná záležitost.
Ale abychom pochopili, co to znamená a proč by komerčně dostupná polovodičová baterie byla průlomová, pojďme si rychle projít základy baterie, které jste se naučili ve škole.
Jak fungují lithiové baterie?
Základními prvky lithium-iontové baterie jsou strana s kladnou elektrodou, strana se zápornou elektrodou a oddělovací vrstva mezi nimi, která zabraňuje jakémukoli přímému kontaktu. Vše, co je ponořeno v tekutém elektrolytu.
Klíčem k bateriím na bázi lithia je, že atomy lithia jsou velmi dobrými donory elektronů. Opravdu se chtějí zbavit jediného elektronu, který mají na vnějším obalu. Tok těchto elektronů je elektrický proud, který vychází z baterie.
A mimochodem, když atom lithia ztratí tento vnější elektron, stane se kladně nabitým iontem. Odtud pochází název „lithium-iontová baterie“.
Separační vrstva, o které jsme se zmínili dříve, umožňuje průchod iontů lithia, ale ne elektronů. Působí tedy také jako izolant.
Strana záporné elektrody baterie obsahuje grafit, který ukládá atomy lithia, když je baterie nabitá. Když zařízení zapojíte, baterie se začne vybíjet. Lithium ztrácí elektron elektrickým tokem – mění ho na iont – a iont putuje kapalným elektrolytem a separátorem na stranu kladné elektrody. Pozitivní stránka je obvykle tvořena sloučeninami, které mají také nevýhody a omezení. Nemluvě o tom, že použití kapalných elektrolytů má několik nevýhod.
Jak tedy funguje solid-state baterie?
Pevné baterie fungují skoro jako běžné lithium-iontové, akorát mají pevný elektrolyt namísto tekutého, kterým proudí ionty lithia. Základní princip je však stejný. Velkým plusem je, že nemají bezpečnostní problémy, které přináší tekutý elektrolyt.
Na pozitivní straně, místo aby obsahovalo elektrodu z oxidu kovu jako standardní baterie s kapalným elektrolytem, čisté lithium se hromadí v kovové formě, když během vybíjení proudí ze záporné na kladnou stranu. To ušetří spoustu místa.
Proč nejsou v každém elektronickém zařízení?
No, protože jsou stále ve vývoji a je třeba překonat některé problémy, než se dočkají širokého využití.
Cost je zde hlavním faktorem. Výroba polovodičových baterií je nyní dražší než výroba běžných lithium-iontových baterií, protože polovodičové baterie používají materiály, které jsou dražší a složitější na výrobu.
Mnohé z potenciálních výhod diskutovaných dříve, jako je delší životnost, rychlejší nabíjení a vyšší hustota energie, dosud nebyly plně přeneseny do komerčních produktů.
Otázkou je také bezpečnost. Přestože jsou polovodičové baterie považovány za bezpečnější než konvenční, stále existují bezpečnostní obavy, zejména zkraty, které mohou být způsobeny jehličkovitými výrůstky lithiového kovu.
Většina dosavadního vývoje v oblasti polovodičových baterií zůstala na laboratorní úrovni a není jasné, jak obtížné by mohlo být jejich rozšíření.
V této oblasti se však provádí mnoho výzkumu a vývoje a mnoho odborníků se domnívá, že polovodičové baterie se nakonec stanou standardem v oblastech, jako je segment elektrických vozidel.
Proč Chile plánuje znárodnit svůj lithiový průmysl?
Chcete-li zobrazit toto video, povolte JavaScript a zvažte upgrade na webový prohlížeč, který podporuje video HTML5
Střih: Derrick Williams
Tepelný únik a související požáry baterií se ukázaly jako zásadní problém pro zákazníky, konstruktéry baterií a výrobce elektrických vozidel. Mnoho vozidel zažilo požáry baterií a stovky tisíc byly svolány. I když jsou tyto události vzácné, mohou být velmi závažné a je důležité zajistit co největší bezpečnost pro lidi v těchto vozidlech a kolem nich. Častou otázkou je, zda bude připravovaná technologie polovodičových baterií bezpečnější a odstraní to potřebu tepelných a protipožárních materiálů?
Zpráva IDTechEx „Solid-State and Polymer Batteries 2023-2033: Technology, Forecasts, Players“ se zabývá technologiemi, přehrávači, bezpečností a přijetím polovodičových baterií. Zatímco její zpráva „Materiály požární ochrany pro baterie elektrických vozidel 2023–2033“ zvažuje materiály používané k prevenci nebo zpomalení šíření tepelného úniku v bateriových sadách EV.
Jsou polovodičové baterie bezpečnější?
Solid-state baterie na první pohled představují různé bezpečnostní výhody. Eliminují hořlavý kapalný elektrolyt a mohou jej nahradit nehořlavým elektrolytem v pevné fázi. Mají také obecně širší okno provozní teploty, což potenciálně snižuje pravděpodobnost výskytu tepelného úniku přes přehřátí článku. Teplo generované selháním externího vytápění je také typicky sníženo.
To však nevypráví celý příběh. Pojem polovodičová baterie ve skutečnosti odkazuje na řadu technologií baterií. V některých případech bude baterie stále používat kapalnou složku pro výměnu iontů (polopevné skupenství), což znamená, že je stále přítomna těkavá složka. Některé polymerní elektrolyty v pevném stavu nebudou zcela hořlavé a jakýkoli elektrolyt se může roztavit, pokud se systém dostatečně zahřeje.
V roce 2022 provozovatel veřejné dopravy v Paříži dočasně stáhl 149 elektrobusů po dvou samostatných požárech autobusů. Zde použité články byly určeny pro použití baterií s LFP katodou, Li kovovou anodou a polymerním elektrolytem v pevné fázi. Dodavatel popisuje své baterie jako „zcela pevné, bez kapalných složek, bez niklu a bez kobaltu“.
Další příklad pochází z výzkumné studie založené na simulaci od Sandia National Laboratories v roce 2022 (Hewson et. al., Joule, Vol.6, Issue 4, 742-755), která porovnávala bezpečnost pro plně polovodičovou baterii. -stavová baterie s kapalným elektrolytem přidaným do katody a konvenční Li-ion baterie na bázi kapaliny. Studie zjistila, že při selhání vnějšího ohřevu generuje polovodičová baterie s malým množstvím tekutého elektrolytu méně tepla než typická Li-ion baterie, ale více než polovodičová baterie. Při selhání zkratu bylo uvolněné teplo závislé pouze na kapacitě článku. Vzhledem k tomu, že polovodičové baterie mohou mít vyšší hustotu energie, mohlo by se generovat více tepla. Typické teplotní úniky, o kterých se mluví u běžných Li-ion baterií, jsou kolem 1000-1200°C; v některých scénářích tohoto výzkumu dosáhl nárůst teploty polovodičových baterií téměř 1800 °C.
Vývoj polovodičových baterií stále probíhá, ale závěrem je, že polovodičové baterie mohou být ve většině případů bezpečnější. Přesto žádný bateriový systém nebude 100% bezpečný. Proto budou vždy vyžadovány materiály pro tepelný management a požární ochranu, aby poskytly tuto finální vrstvu pro zpomalení šíření ohně mimo obal.
Materiálová řešení požární ochrany
Druhy protipožárních materiálů používaných pro polovodičové baterie budou do značné míry podobné těm, které se používají pro tradiční Li-ion baterie, tvarový faktor článků (cylindrický, prizmatický, pouzdrový) a celkový design balení bude mít větší vliv na výběr materiálu. Dnes jsou běžně používanými materiály pro pasivní protipožární ochranu mimo jiné slídové desky, keramické přikrývky, zapouzdřovací pěny a nátěry zpomalující hoření. Aerogely se na trhu prosazují a možnosti jako intumescentní povlaky a materiály s fázovou změnou získávají zvýšený zájem.
Mnohé z těchto materiálů by se těžko vypořádaly s teplotami nad 1500 °C. Konečným cílem však není nutně úplně zastavit šíření, ale oddálit jej na co nejdelší dobu. Kromě vysokoteplotního výkonu se tyto materiály stále častěji musí vypořádat s dalšími funkcemi, jako je přizpůsobitelnost s buňkami, kompresní výkon a náklady. Rychle rostoucí trh EV se zvýšeným zaměřením na požární bezpečnost bude představovat řadu příležitostí pro materiály protipožární ochrany a nebudou eliminovány alternativními technologiemi baterií, jako jsou polovodičové baterie.
Zpráva společnosti IDTechEx „Solid-State and Polymer Batteries 2023-2033: Technology, Forecasts, Players“ nabízí srovnávání a analýzu technologií, odhady a prognózy trhu, sledování a vyhodnocování aktivity hráčů a vytváření a zabezpečení dodavatelského řetězce. Jejich zpráva „Materiály požární ochrany pro baterie elektrických vozidel 2023–2033“ poskytuje srovnávání materiálů, přijetí hráčů, ceny a prognózy pro několik kategorií materiálů protipožární ochrany.
