Baterie półprzewodnikowe: kiedy „substytuty” staną się „ostoją”?

Baterie półprzewodnikowestają się źródłem zasilania nowej generacji, ale prawdopodobnie jako pierwsze wejdą na rynek hybrydowe akumulatory stało-ciekłe i będą stanowić kluczowy pomost między dzisiejszymi ciekłymi ogniwami litowo-jonowymi a przyszłymi systemami całkowicie półprzewodnikowymi.

Czym są baterie półprzewodnikowe

Baterie półprzewodnikowe zastępują łatwopalne ciekłe elektrolity materiałami stałymi, zapewniając jednocześnie większą gęstość energii i większe bezpieczeństwo. W ich katodach można zastosować materiały wysokoenergetyczne, takie jak związki na bazie manganu bogate w lit, natomiast anoda może łączyć nanokrzem i grafit, aby zwiększyć gęstość energii w kierunku 300–450 Wh/kg.

Elektrolit stały przenosi jony litu bez ryzyka wycieku i znacznie zmniejsza prawdopodobieństwo niekontrolowanej temperatury.

Anody o większej pojemności i katody wysokiego napięcia dają akumulatorom półprzewodnikowym potencjał dłuższego zasięgu jazdy w pojazdach elektrycznych i zwiększonej wytrzymałości w dronach lub systemach magazynowania energii.

Hybrydowe ciało stałe-ciecz jako przejście

W artykule wyróżniono akumulatory litowe ciekłe, hybrydowe ciało stałe i ciecz oraz całkowicie półprzewodnikowe, podkreślając, że istotnym etapem przejściowym są konstrukcje hybrydowe. Baterie półstałe, quasi-stałe i „stałe” dostępne na rynku w dużej mierze należą do tej kategorii hybryd, różniąc się jedynie stosunkiem elektrolitu ciekłego do stałego.

Hybrydowe akumulatory stało-ciekłe nadal zawierają pewną ilość ciekłego elektrolitu, co poprawia kontakt z materiałami aktywnymi i ułatwia produkcję.

Baterie półprzewodnikowe zawierają wyłącznie elektrolit stały, co zapewnia większe bezpieczeństwo wewnętrzne i wyższą teoretyczną gęstość energii, ale obecnie stoją przed poważniejszymi wyzwaniami inżynieryjnymi.

Bariery techniczne na drodze do pełnego półprzewodnika

Chociaż wiele firm i instytutów badawczych na całym świecie inwestuje w technologię półprzewodnikową, żadne półprzewodnikowe ogniwo energetyczne o dużej pojemności nie dorównało dotychczas płynnym akumulatorom litowo-jonowym zarówno pod względem wydajności, jak i kosztów. Główna trudność leży na granicy faz ciało stałe-ciało stałe, gdzie sztywne materiały elektrolitowe utrudniają utrzymanie bliskiego kontaktu z elektrodami podczas cykli i zmian objętości.

Obecne metody obejmują akumulatory polimerowe, cienkowarstwowe, siarczkowe i tlenkowe, z których każdy ma odrębne zalety i ograniczenia.

Na przykład polimerowe ogniwa półprzewodnikowe borykają się z trudnościami w temperaturze pokojowej i z katodami wysokiego napięcia, podczas gdy układy siarczkowe są wrażliwe na działanie powietrza i wymagają wymagających warunków produkcyjnych.

Strategia zestalenia na miejscu

Aby przezwyciężyć problemy z interfejsem, jednocześnie wykorzystując istniejącą infrastrukturę litowo-jonową, badacze proponują podejście polegające na krzepnięciu in situ hybrydowych elektrolitów stałych i ciekłych. Podczas montażu ogniw ciekły prekursor zapewnia dobre zwilżanie i kontakt; później reakcje chemiczne lub elektrochemiczne przekształcają całość lub część tej cieczy w stały elektrolit wewnątrz ogniwa.

Metoda ta poprawia kontakt elektroda-elektrolit, hamuje wzrost dendrytów litu i równoważy bezpieczeństwo, wysokie napięcie i wydajność szybkiego ładowania.

Może także ponownie wykorzystać znaczną część obecnego procesu produkcji ciekłego litu-jonu, pomagając producentom szybciej zwiększać skalę i obniżać koszty.

Przyszłe kierunki rozwoju

Eksperci spodziewają się, że całkowicie półprzewodnikowe akumulatory litowe będą potrzebować około pięciu lat więcej, zanim zostaną wprowadzone na rynek na dużą skalę, zatem hybrydowe akumulatory na energię stałą i płynną pozostają realistyczną perspektywą krótkoterminową. Aby przyspieszyć industrializację, w artykule podkreślono potrzebę skoordynowanego postępu w zakresie materiałów, projektowania ogniw, produkcji i standardów.

Priorytety obejmują: opracowanie elektrolitów stałych o zrównoważonej przewodności jonowej, stabilności i przetwarzalności; dopasowane elektrody wysokoenergetyczne, takie jak katody o wysokiej zawartości niklu i anody krzemowo-węglowe lub litowo-metalowe; oraz integrowanie symulacji cyfrowej z inteligentną produkcją.

Zachęca się przemysł do budowania solidnych łańcuchów dostaw kluczowych materiałów, inwestowania w zautomatyzowany sprzęt, udoskonalania systemów testowania i oceny oraz stopniowego odchodzenia od hybrydowego układu ciało stałe-ciecz. akumulatory litowo-jonowew stronę całkowicie półprzewodnikowych akumulatorów litowo-metalowych.