Akumulator to urządzenie magazynujące energię chemiczną, którą następnie zamienia w energię elektryczną, umożliwiając tym samym rozruch i działanie pojazdów. To niezbędny element samochodów oraz innych środków transportu, ale także licznych sprzętów. Innowacją i prawdziwym game changerem w świecie akumulatorów są akumulatory półprzewodnikowe – jak dokładnie działają i na czym polega ich fenomen?
Akumulatory półprzewodnikowe solid state – podstawowe informacje
Akumulatory te to nowoczesne urządzenia, których budowa i funkcjonowanie znacznie różnią się od ich poprzedników. Baterie półprzewodnikowe solid wyposażone są w stały elektrolit, którego zadaniem jest transport jonów między anodą i katodą. Innowacyjne zastosowanie stałych elektrolitów pozwala osiągnąć wyższą wydajność i gęstość energii.
Akumulatory półprzewodnikowe a litowo-jonowe
Podstawowa różnica między akumulatorem półprzewodnikowym a akumulatorami litowo-jonowym tkwi w rodzaju użytego w nich elektrolitu. Tradycyjne, powszechne dotąd baterie litowo-jonowe wykorzystywały elektrolity w postaci cieczy organicznej. W modelach półprzewodnikowych stosuje się natomiast elektrolity stałe bądź hybrydowe.
Kluczową różnicą między tymi dwoma rozwiązaniami jest także pojemność energetyczna. Baterie półprzewodnikowe mogą zgromadzić ponad 400 Wh energii na kilogram, podczas gdy tradycyjne litowo-jonowe magazynują około 60–270 Wh/kg. Baterie półprzewodnikowe umożliwiają wykorzystanie anod z litu metalicznego lub anod krzemowych, co pozwala na dodatkowe zwiększenie ilości magazynowanej energii.
Akumulatory różnią się między sobą także czasem ładowania. W tym wypadku prym wiodą baterie litowo-jonowe; ich ciekły elektrolit pozwala na szybki transfer jonów, a co za tym idzie także szybkie ładowanie. Akumulatory półprzewodnikowe cechują się natomiast nieco wolniejszym czasem uzupełniania energii.
Akumulatory półprzewodnikowe – najważniejsze zalety
Technologia użyta do produkcji akumulatorów półprzewodnikowych sprawia, że urządzenia te cechują się pełną paletą kluczowych walorów. Dzięki nim zdobywają one coraz większe uznanie w branży. Za najważniejszą zaletę akumulatorów zdecydowanie należy uznać ich bezpieczeństwo – stały, niepalny elektrolit praktycznie eliminuje ryzyko pożaru, a także wycieki czy wybuchy, co jest szczególnie istotne dla ochrony sprzętu i pojazdów.
Warto zwrócić również uwagę na szczególną pojemność akumulatorów, która może być od 2 do nawet 10 razy większa niż w przypadku tradycyjnych baterii. Przekłada się to na:
- dłuższy zasięg samochodów elektrycznych;
- wydłużoną żywotność urządzeń;
- większą efektywność energetyczną.
Także trwałość baterii solid-state jest imponująca – wytrzymują one bowiem od 8 000 do 10 000 cykli ładowania, co oznacza nawet 15-20 lat niezawodnej pracy.
Akumulatory półprzewodnikowe odznaczają się ponadprzeciętną odpornością na ekstremalne temperatury. Są one w stanie działać bez zarzutu w zakresie od -40°C do +85°C. To sprawia, że są niezawodne w każdych warunkach pogodowych.
Ich konstrukcja jest lżejsza i bardziej kompaktowa – nawet o 50-60% mniejsza i lżejsza niż tradycyjne baterie. To z kolei pozwala na oszczędzenie miejsca w pojazdach i urządzeniach, jak również zmniejszenie ich całkowitej masy.
Brak cieczy w akumulatorze oznacza brak ryzyka wycieku czy pożaru, co stanowi znaczący postęp w zakresie bezpieczeństwa akumulatora, jak i całego pojazdu. Stały elektrolit przewodzi jony, ale zatrzymuje elektrony, dzięki czemu nie dochodzi do zwarć wewnątrz akumulatora.
Materiały i technologie wykorzystywane w bateriach ze stałym elektrolitem
W akumulatorach ze stałym elektrolitem najczęściej wykorzystuje się polimery, tlenki (materiały ceramiczne) oraz siarczki. Każdy z tych materiałów ma swoje unikalne właściwości. Elektrolity tlenkowe cechują się ogromną odpornością na wysoką temperaturę, a siarczki wyróżnia doskonała przewodność jonowa, która determinuje lepszą wydajność akumulatora. Polimerowe elektrolity są elastyczne i odporne na uderzenia oraz drobne odkształcenia.
Wszystkie te substancje łączy ponadto jedna kluczowa cecha – nie palą się i nie parują, co czyni je znacznie bezpieczniejszymi niż tradycyjne rozwiązania.
Jako anody w akumulatorach najczęściej wykorzystuje się lit w postaci metalicznej lub krzem. Coraz popularniejsze stają się także anody o trójwymiarowej strukturze, które lepiej rozkładają obciążenia i zwiększają pojemność ogniwa.
Obecnie branża koncentruje się na udoskonalaniu składu elektrolitów, aby zapewnić ich stabilność przez wiele lat użytkowania. Poszukuje się idealnych kombinacji, które łączą trwałość z wysoką wydajnością.
Na rynku pojawiają się także hybrydowe elektrolity, łączące właściwości ciał stałych i cieczy. Takie rozwiązania:
-
- obniżają koszty produkcji;
- zachowują zalety nowoczesnych technologii;
- poprawiają wydajność i bezpieczeństwo.
W laboratoriach prowadzi się również testy akumulatorów sodowych i aluminiowych. Każda z tych technologii ma swoje mocne strony, jednak prawdziwy przełom wciąż jest przed nami.
