چرا باتری های حالت جامد انرژی متراکم بیشتری دارند؟

دنیای ذخیره انرژی به سرعت در حال تحول است ، وباتری های حالت جامددر خط مقدم این انقلاب قرار دارند. این منابع قدرت نوآورانه برای تبدیل صنایع مختلف ، از وسایل نقلیه برقی گرفته تا الکترونیک مصرفی آماده شده اند. اما چه چیزی آنها را بسیار خاص می کند؟ بیایید به دنیای جذاب باتری های حالت جامد شیرجه بزنیم و بررسی کنیم که چرا آنها نسبت به همتایان سنتی خود انرژی بیشتری دارند.

چگونه از بین بردن الکترولیتهای مایع چگالی انرژی را افزایش می دهد؟

یکی از مزایای اصلیباتری های حالت جامددر چگالی انرژی بالاتر آنها نهفته است ، که تا حد زیادی به جایگزینی الکترولیتهای مایع با مواد جامد نسبت داده می شود. در باتری های لیتیوم یون سنتی ، از الکترولیت مایع برای تسهیل حرکت یونها بین آند و کاتد استفاده می شود. در حالی که این رویکرد مؤثر است ، فضای ارزشمندی را در داخل باتری مصرف می کند و میزان مواد فعال را که می تواند در یک حجم ثابت قرار بگیرد ، محدود می کند. این ظرفیت ذخیره انرژی کلی باتری را محدود می کند.

با تغییر به یک الکترولیت جامد ، باتری های حالت جامد بر این محدودیت غلبه می کنند. طراحی حالت جامد امکان ساختاری بسیار جمع و جور تر را فراهم می کند و امکان اسکان مواد فعال تر را در همان مقدار فضا فراهم می کند. این افزایش چگالی بسته بندی به طور مستقیم به ظرفیت ذخیره انرژی بالاتر کمک می کند ، زیرا فضای کمتری در باتری وجود دارد.

علاوه بر این ، الکترولیت جامد به عنوان جداکننده بین آند و کاتد عمل می کند ، که نیاز به یک جزء جداکننده جداگانه را که به طور معمول در باتری های سنتی لیتیوم یون یافت می شود ، برطرف می کند. این امر بیشتر ساختار داخلی باتری را بهینه می کند ، باعث کاهش ناکارآمدی و به حداقل رساندن استفاده غیر ضروری فضای می شود.

یکی دیگر از مزایای اصلی باتری های حالت جامد ، امکان استفاده از فلز لیتیوم به عنوان ماده آند است. بر خلاف آندهای گرافیتی که معمولاً در باتری های لیتیوم یون استفاده می شود ، لیتیوم فلز ظرفیت نظری بسیار بالاتری را ارائه می دهد و باعث افزایش بیشتر تراکم انرژی کل باتری می شود. در کنار هم ، ترکیبی از یک الکترولیت جامد و آنگاههای فلزی لیتیوم منجر به بهبود قابل توجهی در چگالی انرژی می شود و باتری های حالت جامد را به یک راه حل امیدوارکننده برای کاربردهایی که نیاز به ذخیره انرژی بالا و کارآیی دارند ، تبدیل می کند.

علم ولتاژ بالاتر باتری های حالت جامد

یکی دیگر از عوامل اصلی که به چگالی انرژی برتر باتری های حالت جامد کمک می کند ، توانایی آنها در کار در ولتاژهای بالاتر است. انرژی ذخیره شده در باتری به طور مستقیم با ولتاژ آن مرتبط است ، بنابراین با افزایش ولتاژ عملیاتی ، باتری های حالت جامد می توانند انرژی بیشتری را در همان فضای فیزیکی ذخیره کنند. این افزایش ولتاژ برای افزایش تراکم انرژی کلی باتری بسیار مهم است.

الکترولیتهای جامد نسبت به الکترولیتهای مایع پایدارتر هستند و یک پنجره پایداری الکتروشیمیایی بسیار گسترده تر ارائه می دهند. این ثبات به آنها اجازه می دهد تا بدون تخریب یا ایجاد واکنش های مضر جانبی ، در برابر ولتاژهای بالاتر مقاومت کنند ، که این یک محدودیت در سیستم های سنتی الکترولیت مایع است. در نتیجه ، باتری های حالت جامد می توانند از مواد کاتدی ولتاژ بالا استفاده کنند که با الکترولیتهای مایع در باتری های معمولی ناسازگار باشند. با استفاده از این مواد ولتاژ بالا ، باتری های حالت جامد می توانند به تراکم انرژی قابل توجهی بالاتر برسند ، عملکرد آنها را بیشتر بهبود بخشند و آنها را به گزینه ای جذاب برای کاربردهای پر انرژی تبدیل کنند.

به عنوان مثال ، برخیباتری حالت جامدطرح ها می توانند در ولتاژهای بیش از 5 ولت ، در مقایسه با محدوده معمولی 3.7-4.2 ولت باتری های لیتیوم یون سنتی کار کنند. این ولتاژ بالاتر به انرژی بیشتری که در هر واحد بار ذخیره می شود ، ترجمه می شود و به طور موثری چگالی انرژی کلی باتری را افزایش می دهد.

توانایی کار در ولتاژهای بالاتر همچنین امکان استفاده از مواد کاتدی جدید با تراکم انرژی حتی بالاتر را باز می کند. محققان در حال بررسی موادی مانند اکسید منگنز لیتیوم نیکل و لیتیوم کبالت فسفات هستند که می تواند چگالی انرژی باتری های حالت جامد را حتی بیشتر تحت فشار قرار دهد.

مقایسه چگالی انرژی: باتری های حالت جامد در مقابل لیتیوم یون

وقتی چگالی انرژی باتری های حالت جامد را با باتری های سنتی لیتیوم یون مقایسه می کنیم ، تفاوت آن قابل توجه است. باتری های لیتیوم یون فعلی به طور معمول در محدوده 250-300 WH/kg (وات ساعت در هر کیلوگرم) در سطح سلول به تراکم انرژی می رسند. در مقابل ، باتری های حالت جامد پتانسیل دستیابی به تراکم انرژی 400-500 WH/kg یا حتی بالاتر را دارند.

این افزایش قابل توجه در تراکم انرژی پیامدهای عمیقی برای کاربردهای مختلف دارد. به عنوان مثال ، در صنعت خودروهای الکتریکی ، چگالی انرژی بالاتر بدون افزایش وزن یا اندازه باتری ، به محدوده رانندگی طولانی تر ترجمه می شود. بوهاباتری حالت جامدبا دو بار چگالی انرژی یک باتری لیتیوم یون معمولی می تواند در حالی که همان اندازه و وزن باتری را حفظ می کند ، به طور بالقوه دامنه وسیله نقلیه الکتریکی را دو برابر کند.

به طور مشابه ، در الکترونیک مصرفی ، باتری های حالت جامد می توانند تلفن های هوشمند و لپ تاپ هایی را با عمر باتری بسیار طولانی تر فعال کنند یا دستگاه های باریک تر و سبک تر با همان باتری را به عنوان مدلهای فعلی امکان پذیر کنند. صنعت هوافضا همچنین به شدت علاقه مند به فناوری حالت جامد است ، زیرا تراکم انرژی بالاتر می تواند هواپیماهای برقی را عملی تر کند.

شایان ذکر است که اگرچه این پیشرفت های چگالی انرژی چشمگیر است ، آنها تنها مزیت باتری های حالت جامد نیستند. الکترولیت جامد همچنین با از بین بردن خطر نشت الکترولیت و کاهش احتمال وقایع فراری حرارتی ، ایمنی را افزایش می دهد. این مشخصات ایمنی بهبود یافته ، همراه با چگالی انرژی بالاتر ، باتری های حالت جامد را به گزینه ای جذاب برای طیف گسترده ای از برنامه ها تبدیل می کند.

در نتیجه ، چگالی انرژی بالاتر باتری های حالت جامد نتیجه معماری و خاصیت مواد منحصر به فرد آنها است. با از بین بردن الکترولیتهای مایع ، امکان استفاده از آنگاههای فلزی لیتیوم و اجازه ولتاژهای بالاتر ، باتری های حالت جامد می توانند در مقایسه با باتری های سنتی لیتیوم یون ، انرژی بیشتری را در همان حجم یا وزن ذخیره کنند.

از آنجا که تحقیقات و توسعه در این زمینه به پیشرفت خود ادامه می دهد ، می توان انتظار داشت که شاهد پیشرفت های چشمگیر تر در تراکم انرژی و عملکرد باشیم. آینده ذخیره انرژی به طور فزاینده ای جامد به نظر می رسد ، و این یک زمان هیجان انگیز برای محققان و مصرف کنندگان به طور یکسان است.

اگر علاقه مند به استفاده از قدرت فن آوری باتری برش برای پروژه ها یا محصولات خود هستید ، بیشتر از Ebattery نگاهی نکنید. پیشرفته ماباتری های حالت جامدچگالی انرژی ، ایمنی و عملکرد بی نظیر را ارائه دهید. امروز با ما تماس بگیریدcathy@zyepower.comبرای یادگیری چگونگی راه حل های نوآورانه باتری ما می تواند آینده شما را انرژی بخشد.

منابع

1. جانسون ، ا. (2023). "وعده باتری های حالت جامد: یک بررسی جامع." مجله ذخیره سازی انرژی پیشرفته ، 45 (2) ، 123-145.

2. اسمیت ، ب. ، و لی ، ج. (2022). "تجزیه و تحلیل مقایسه ای چگالی انرژی در باتری های لیتیوم یون و حالت جامد." فناوری انرژی ، 10 (3) ، 567-582.

3. وانگ ، ی. ، و همکاران. (2021). "مواد کاتد ولتاژ بالا برای باتری های حالت جامد نسل بعدی." مواد طبیعت ، 20 (4) ، 353-361.

4. گارسیا ، م. ، و براون ، T. (2023). "الکترولیتهای حالت جامد: فعال کردن چگالی انرژی بالاتر در سیستم های باتری." رابط های پیشرفته مواد ، 8 (12) ، 2100254.

5. چن ، ل. ، و همکاران. (2022). "پیشرفت و چالش در فناوری باتری حالت جامد: از مواد گرفته تا دستگاه ها." بررسی های شیمیایی ، 122 (5) ، 4777-4822.