Как работает твердотельная батарея?

КакТвердотельный аккумуляторРабота? Простое объяснение для операторов БПЛА

Понимание того, кактвердотельная батареяработы не требуют химического образования. Для этого необходимо понять одно ключевое отличие от батарей, с которыми вы уже знакомы, а затем проследить логику того, что это различие меняет.

Вот самое ясное объяснение работы твердотельной батареи, написанное для людей, которые управляют дронами, а не для тех, кто их строит.

Начните с того, что делает каждая батарея

Каждая батарея — батарея телефона,аккумулятор для дрона, автомобильный аккумулятор — выполняет ту же основную работу. Он хранит химическую энергию и по требованию преобразует ее в электрическую.

Внутри каждой литиевой батареи есть три основных компонента: положительный электрод, называемый катодом, отрицательный электрод, называемый анодом, и средний слой, называемый электролитом, который находится между ними. Во время зарядки ионы лития перемещаются от катода через электролит к аноду, сохраняя энергию в этом расположении. Во время разряда эти ионы движутся обратно в противоположном направлении, и энергия, выделяемая при этом движении, приводит в действие двигатели дрона.

Задача электролита специфическая: пропускать ионы лития, но блокировать электроны. Электронам приходится проходить через внешнюю цепь — через контроллеры двигателей, моторы и бортовую электронику — именно так они выполняют полезную работу. Если бы электроны могли напрямую пересечь электролит, в батарее немедленно произошло бы короткое замыкание.

Что отличает твердотельное тело

В обычных литий-полимерных батареях электролит представляет собой жидкость или гель, а именно органический растворитель, содержащий растворенные соли лития. Это работает хорошо. Он также легко воспламеняется, чувствителен к температуре и со временем разлагается в результате химических реакций с поверхностями электродов.

Твердотельная батарея заменяет эту жидкость твердым материалом. Твердый электролит по-прежнему выполняет ту же самую работу — пропускает ионы лития, одновременно блокируя электроны, — но делает это посредством принципиально иного физического механизма.

Вместо того, чтобы ионы дрейфовали через жидкость, они движутся через кристаллическую или аморфную твердую структуру, прыгая между ионопроводящими участками внутри материала. В зависимости от химического состава электролита этими твердыми материалами могут быть керамика (например, LLZO — оксид лития, лантана, циркония), полимеры или сульфидные соединения. Каждый из них имеет различную ионную проводимость, температурные характеристики и производственные характеристики.

Что меняется в производительности

Поскольку электролит теперь твердый, одновременно меняются несколько вещей:

Риск пожара значительно снижается. Органический растворитель, который делает жидкие электролиты легковоспламеняющимися, отсутствует. В последовательности термического выхода из-под контроля, вызывающего возгорание литиевой батареи, нет ничего, что могло бы воспламениться. Механически поврежденный твердотельный элемент теряет функциональность, а не становится угрозой возгорания.

В ячейке может быть установлен металлический литий-анод. В батареях с жидким электролитом металлические литий-аноды вызывают рост дендритов — металлических нитей, которые в конечном итоге замыкают элемент. Твердые электролиты достаточно плотны, чтобы физически блокировать проникновение дендритов, что делает аноды из металлического лития жизнеспособными. Металлический литий сохраняет примерно в 10 раз больше энергии на грамм, чем графитовые аноды, используемые в обычных батареях, что является источником преимуществ плотности энергии твердотельных батарей.

Деградация замедляется. Жидкие электролиты постепенно реагируют с поверхностями электродов в течение сотен циклов зарядки, образуя слои, которые увеличивают внутреннее сопротивление и снижают емкость. Твердые электролиты более химически стабильны и медленнее реагируют с материалами электродов. Именно благодаря этой стабильности твердотельные батареи демонстрируют более длительный срок службы при сопоставимых условиях эксплуатации.

Что не изменилось

Основная операция — ионы лития перемещаются вперед и назад между катодом и анодом через электролит — идентична любой литиевой батарее, которую вы использовали раньше. Диапазон напряжений аналогичен. Процесс зарядки и разрядки следует тем же принципам. Аккумулятору по-прежнему нужна система управления аккумулятором для мониторинга напряжения элементов, управления балансировкой и защиты от неправильного использования.

Твердое тело — это не отдельный тип хранения энергии. Это тот же тип, с одним компонентом — электролитом, конструкция которого изменена таким образом, чтобы устранить наиболее существенные ограничения, присущие обычным химическим составам литиевых батарей.

Твердотельные аккумуляторы для БПЛА ZYEBATTERY

ZYEBATTERYразрабатывает твердотельные литий-ионные и высокопроизводительные литий-полимерные аккумуляторы для БПЛА для коммерческих применений дронов. Понимание того, как работает технология, является отправной точкой для понимания того, почему характеристики производительности различаются, а также для принятия решений о батареях, основанных на реальном понимании, а не только на цифрах технических характеристик.