Чем отличаются твердотельные батареи от литий-ионных
На почве скандалов со взрывоопасными батареями в печально прославившихся Samsung Note 7 эксперты мобильного мира все чаще обсуждают, что будущее мобильной электроники – в твердотельных батареях. Вам интересно, что это такое и чем они отличаются от ныне используемых литий-ионных?
Ключевое различие между привычными литий-ионными батареями и твердотельными заключается в том, что литий-ионные батареи используют жидкий электролит, а твердотельные – твердый. Электролит – это токопроводящая смесь веществ, которая обеспечивает течение тока между анодом и катодом («минусом» и «плюсом» внутри батареи). Твердотельные батареи работают по тому же принципу, что и ионные: при зарядке ионы лития перемещаются на катод, откуда при выключении зарядного устройства отправляются в свободное плавание через электролит обратно к аноду, создавая электрический ток. Изменение в материалах позволяет добиться значительного изменения свойств, в том числе максимального объема, времени зарядки, размера и уровня безопасности.
Схема литий-ионной батареи
Компактность
В первую очередь, переход от жидкого к твердому электролиту обеспечивает увеличение количества энергии на тот же размер аккумулятора. В «жидкотельных» батареях необходим ощутимый слой жидкости и специальный сепаратор, разделяющий катод и анод, чтобы избежать короткого замыкания. Для твердотельного аккумулятора достаточно куда более тонкого барьера.
Сепараторы в литий-ионных аккумуляторах обычно имеют толщину около 20-30 микрон (0.02-0.03 мм), а в твердотельных используются сепараторы в 3-4 микрона – примерно в 7 раз более тонкие. Конечно, сепаратор – не единственный объемный предмет внутри батареи, и катод с анодом так сжать не выйдет. Но все же в твердотельную батарею «влезает» примерно вдвое больше энергии, чем в литий-ионную такой же толщины.
Твердотельная батарея намного компактнее литий-ионной
Надежность
Твердотельные электролиты куда меньше склонны к химическим реакциям, чем жидкость или гель, поэтому они работают намного дольше и не требуют замены через 2-3 года. Также это означает, что такие батареи не загорятся и не взорвутся от производственных дефектов или при повреждении.
В нынешних смартфонах через год-два использования приходится менять аккумулятор. Они хуже держат заряд, начинает мерцать экран или телефон спонтанно уходит в перезагрузку. С твердотельными батареями смартфон проживет куда дольше без замены запчастей.
Виды твердотельных батарей
Но говорить о «твердотельных батареях» в целом – это упрощение, потому что в батареях используется множество различных видов твердых химических соединений: литиевые гидриды, гранаты, ангродиты, перовскиты, литиевые галогениды, литиевые и натриевые ионные проводники. Большая часть из этих видов все еще использует литий в качестве материала для электродов, но некоторые ищут альтернативные материалы для катода и анода.
Литий-полимерные батареи уже есть на рынке
На текущий момент из присутствующих на рынке типов твердотельных аккумуляторов наиболее успешен литий-полимерный (LiPo). Аккумуляторы этого типа очень легкие, тонкие и даже гибкие, и теряет только 5% мощности после 40 тыс. циклов зарядки (для сравнения, литий-ионные выдерживают не больше тысячи циклов). Но, к сожалению, у этого типа недостаточно высокая общая емкость и проводимость, так что его мощность не позволяет использовать этот аккумулятор в бытовой технике.
Проводимость – это общая беда твердотельных аккумуляторов, ведь ионам намного сложнее передвигаться через твердое вещество, чем через жидкость. Только поэтому твердотельные батареи все еще не встречаются в смартфонах, ноутбуках и электромашинах. Но сейчас ученые ведут разработку новых материалов на основе гранатов, которые потенциально могут решить эту проблему.
Полноценные твердотельные батареи для смартфонов мы не увидим еще лет пять. По крайней мере, так считают эксперты. Но вот в других устройствах (например, в дронах) они могут появится уже в следующем году. Последние исследования дают результаты, которые могут конкурировать с существующими литий-ионными аккумуляторами с точки зрения основных свойств, но имеют все преимущества твердотельных батарей. Все, что нужно, – чтобы производственный процесс вышел «на конвейер».
Основные преимущества твердотельных батарей – до 6 раз более быстрая зарядка, удвоение емкости, цикл жизни около 10 лет, невоспламеняющиеся компоненты – несомненно, изменят рынок смартфонов и портативных устройств к лучшему.