Твердотельные аккумуляторы: как они работают. Преимущества и недостатки твёрдых электролитов. Какие бывают виды твердотельных АКБ

Технически устройство твердотельных батарей схоже с обычными аккумуляторами. Например, они состоят из тех же элементов — катода, анода и электролита. Только в отличие от свинцово-кислотных накопителей здесь в качестве проводника используют твердотельные электролиты и электроды. 

Источник изображения

Как работают твердотельные аккумуляторы. Их особенности

В аккумуляторной батарее электролит представляет собой специальный проводник, выполненный в виде химической смеси, которая обеспечивает проходимость тока между катодом и анодом. Только в щелочных накопителях используется жидкое вещество, а в твердотельных аккумуляторах — твёрдый элемент. Для его изготовления, как правило, используют такие стеклообразные материалы:

• кристаллические;

• поликристаллические;

• аморфные.

Кроме того, электролит для аккумуляторов, которые устанавливают в автомобилях, также выполняет функцию сепаратора, а не только проводника тока. Такие элементы играют особо важную роль при изготовлении твердотельных накопителей типа EV, так как позволяют значительно увеличить их мощность. 

Сепаратор представляет собой специальную тонкую микропористую мембрану, которая состоит из четырёх отдельных элементов. Она разделяет катод и анод батареи, чтобы между ними не было контакта, тем самым предотвращает короткое замыкание. 

К примеру, энергетическая плотность электролита из литий-фосфатного стекла гораздо выше, чем в батареях с жидкими проводниками. Ещё один важный плюс твёрдых элементов — они более устойчивы к непроизвольному воспламенению, а потому вероятность их взрыва гораздо ниже. 

Поскольку твердотельные батареи не такие взрывоопасные, нет необходимости использовать в их конструкции специальные защитные элементы. Это позволяет существенно экономить внутреннее пространство аккумулятора и задействовать его для увеличения мощности накопителя. По сравнению с литий-ионными аналогами такие АКБ способны накапливать в два раза больше энергии. 

Источник изображения

Устройство АКБ с твёрдыми электролитами

Главные составляющие твердотельных АКБ — это мембрана и положительные и отрицательные электроды. Мембрану изготавливают из твёрдого электролита, электроды, как правило, тоже делают из твёрдых материалов. Когда такая батарея заряжается или разряжается, электрические ионы перемещаются в твёрдую проводниковую матрицу, в результате чего и происходит реакция разряда или заряда. В обычных жидкостных аккумуляторах ионно-проводящая матрица выполнена в виде растворённой в специальном составе ионной соли. 

Перемещение ионов и вытекающие из этого реакции называются окислительно-восстановительными. Именно они обеспечивают распределение и хранение энергии в твердотельных АКБ. 

Анод батареи окисляется, а катод восстанавливается, и аккумулятор использует эти процессы по мере надобности. Когда происходит разряд, ионы провоцируют между элементами АКБ соответствующую химическую реакцию: анод окисляется, в результате чего образовываются специальные соединения со свободными электронами. Они производят электрическую энергию, в то время как на катоде выполняется восстановление и образуются соединения, которые получают электроны и сохраняют эту энергию. 

Во время же зарядки батареи происходит обратный процесс. Электролит в аккумуляторе пропускает положительно заряженные атомы (ионы) от отрицательного к положительному электроду. В итоге на катоде формируется положительный заряд. Именно он и «впитывает» с анода фундаментальные субатомные частицы — электроны. 

Но так как твердотельный электролит не пропускает эти электроны сквозь себя, они начинают движение по цепи и питают своей энергией тот элемент, к которому она подключена, например, электромотор. 

Аккумулятор считается полностью заряженным, когда ионы перестают передаваться на отрицательный электрод. Чтобы в период циклирования обеспечивать и поддерживать свойство проводимости на нужном уровне, в слоях твердотельных аккумуляторов предусмотрены специальные добавки и связующие компоненты. 

Источник изображения

Виды твёрдых электролитов

Несмотря на общий принцип работы, твердотельные батареи разделяют на несколько видов. У каждого проводника есть свои плюсы и минусы.

1. Электролит для аккумуляторов на основе полимеров. Главный плюс полимерного проводника — высокая технологичность и отличные эксплуатационные характеристики рабочих ячеек. Из минусов можно отметить недостаточную устойчивость к контакту с металлическими элементами, а также низкие показатели проводимости энергии во время работы при минусовых температурах. То есть, чем хуже становятся его пропускные способности, тем меньше передаётся ионов, соответственно, снижается мощность АКБ.

2. Оксидный проводник. Отличается высокими механическими характеристиками. Такие проводники изготавливают из жёстких материалов. Они обладают отличной химической устойчивостью при взаимодействии с металлическими компонентами. Из основных недостатков — умеренная проводимость и чувствительность компонентов к влаге. Однако такие проводники химически стабильны и отлично взаимодействуют с катодами, у которых высокие энергетические показатели. 

3. Сульфидный проводник. По сравнению с двумя предыдущими типами отличается средними механическими характеристиками. Но зато у него самые высокие свойства проводимости энергии. Считается, что все лучшие проводники для твердотельных АКБ изготавливают только на основе сульфидов. Этот материал — наилучший проводник ионов. Благодаря ему обеспечивается отличная плотность электролита в аккумуляторе. Из недостатков — химическая нестабильность и плохая переносимость влаги.

Так, твердотельные батареи отличаются устройством, материалом изготовления и типом электролита. 

Преимущества и недостатки твёрдых электролитов

Аккумулятор с твёрдыми электролитами заряжается в 5–6 раз быстрее, чем с жидкостными элементами. Благодаря простой структуре твердотельные проводники удобны в изготовлении. Срок эксплуатации у них гораздо дольше, чем у жидких — до 10 лет.

Открытия в отрасли АКБ случаются примерно каждые 30 лет. Кто знает, возможно, что твёрдые электролиты — это следующий шаг в развитии аккумуляторов: расширяющийся автопарк электромобилей требует АКБ, которые будут долго служить и держать заряд, а при разрядке быстро заряжаться. Не зря же крупные автопроизводители постоянно ведут разработки в данной области.