Hur fungerar drone-litiumbatterier med fast tillstånd?

Även om traditionella litiumpolymerbatterier (LIPO) har blivit mainstream, har deras säkerhets- och energitäthetsflaskhalsar blivit alltmer framträdande. Till skillnad från traditionella litiumjonbatterier som förlitar sig på flytande elektrolyter, antar fast tillståndsbatterier ett helt annat tillvägagångssätt. Denna innovativa design förväntas erbjuda högre energitäthet, större säkerhet och en längre livslängd.

Solid-state-batterier flyttar från laboratoriet i framkant av applikationer. Så, hur exakt fungerar denna mycket efterlängtade teknik? Hur kommer det att förändra drönarnas framtid?

Arbetsprocessen med fast tillståndsbatterier liknar makroskopiskt den för litiumpolymerbatterier, som fortfarande involverar migration av litiumjoner mellan de positiva och negativa elektroderna. Implementeringsmetoderna på mikronivå åstadkommer emellertid en värld av skillnad.

Fasta elektrolyter: De är vanligtvis tillverkade av speciella fasta material som keramik, sulfider eller polymerer. Dessa material har extremt hög jonkonduktivitet, vilket gör att litiumjoner kan passera snabbt medan de också isolerar elektroner, vilket perfekt kombinerar de två huvudsakliga funktionerna i ledning och isolering.

Högkapacitetselektrod

Anode Innovation: En av de mest spännande potentialerna i fast tillståndsbatterier är förmågan att direkt använda litiummetall som anod. Detta beror på att den fasta elektrolyten effektivt kan hämma tillväxten av litium -dendriter, och penetrationen av dendriter genom separatorn är den främsta orsaken till kortslutningar och bränder i flytande batterier.

Positiv elektroduppgradering: Genom att kombinera högspännings- och högkapacitetspositiva elektrodmaterial (såsom hög-nickel-ternära, litiumrika manganbaserade eller till och med svavelpositor) kan energipotentialen för hela batterisystemet utnyttjas fullt ut.

Arbetsprocess

När ett batteri laddas eller släpps, rör sig litiumjoner (li⁺) fram och tillbaka mellan de positiva och negativa elektroderna under påverkan av ett elektriskt fält genom den fasta elektrolyten, som fungerar som en fast "bro". Elektroner (E⁻) flyter genom den yttre kretsen och bildar därmed en elektrisk ström för att driva det obemannade flygfordonet.

Vad kan ersätta flytande elektrolyter i fast tillståndsbatteri?

I traditionella litiumjonbatterier fungerar den flytande elektrolyten som medium för förökning av joner mellan anoden och katoden under laddning och urladdningscykler. Emellertid ersätter fast tillståndsbatteridesign denna vätska med fasta material som utför samma funktion. Denna fasta elektrolyt kan tillverkas av olika material, inklusive keramik, polymerer eller sulfider.

Valet av fasta elektrolytmaterial är av avgörande betydelse eftersom det direkt påverkar batteriets prestanda, säkerhet och tillverkbarhet.

Polymerelektrolyter är tillverkade av organiska material och har en serie olika fördelar:

1. Flexibilitet: De kan anpassa sig till volymförändringarna av elektroder under cykelprocessen.

2. Lätt att tillverka: Polymerelektrolyter kan bearbetas med enklare och mer kostnadseffektiva metoder.

3. Förbättrat gränssnitt: De bildar vanligtvis ett bättre gränssnitt med elektroden och därmed minskar motståndet.

En av de viktigaste utmaningarna i fast tillståndsbatteridesign, oavsett typ av fast elektrolyt som används, är att optimera gränssnittet mellan elektrolyten och elektroden. Till skillnad från flytande elektrolyter som är enkla att hålla fast vid elektrodytor, måste fasta elektrolyter utformas noggrant för att säkerställa god kontakt och effektiv jonöverföring.

Forskare undersöker olika strategier för att förbättra dessa gränssnitt, inklusive:

1. Ytbeläggning: Applicera en tunn beläggning på elektroden eller elektrolyten för att förbättra kompatibilitet och jonöverföring.

2. Nanostrukturerade gränssnitt: Skapa nanoskalafunktioner vid gränssnitten för att öka ytan och förbättra jonbytet.

3. Tryckassisterad enhet: Kontrollerat tryck används under batterimonteringsprocessen för att säkerställa god kontakt mellan komponenter.

Slutsats:

Arbetsprincipen för solid-state-batterier är inte bara en enkel materiell ersättning, utan snarare en paradigmrevolution som förskjuts från flytande jonmigration till fast tillståndjonledning. Den levererar energi säkrare och effektivt genom en robust "solid-state jonbrygga". För drönare handlar det inte bara om att byta ut ett batteri; Det markerar början på en helt ny era av flygning.

Zyebattery har alltid varit inriktad på banbrytande energiteknologier. Vi följer noga utvecklingen av nästa generations tekniker som solid-state-batterier och har åtagit sig att förse marknaden med säkrare och kraftfullare drone-kraftlösningar i framtiden, vilket hjälper våra kunder att flyga högre, längre och säkrare.