Mine sisu juurde

Tahkisaku

Allikas: Vikipeedia

Tahkisaku on spetsiaalne elektriaku tüüp, milles nii elektroodid kui ka elektrolüüt on valmistatud tahkest materjalist.

Ehitus

[muuda | muuda lähteteksti]

Tahkisakud erinevad tavalistest akudest peamiselt tahke elektrolüüdi kasutamise poolest. Elektrolüüdi ülesanne on juhtida ioone anoodi ja katoodi vahel. Iooni liik oleneb elemendi keemiast; näiteks liitiumioonakudes on see liitiumkatioon ja naatriumioonakudes naatriumkatioon. Laengu transport tahketes elektrolüütides põhineb sageli tahkisvõre protsessidel.[1] Nende protsesside avaldumine sõltub kasutatavast elektrolüüdist ja ka mitmesuguste defektide tekkest, näiteks Schottky defektid, Frenkeli defektid või hõivatud võrevahekohad.[1]

Tahkiselektrolüüdiga liitiumõhkaku ehitus: anood on liitiumist, katood poorsest süsinikust, nende vahel kaks polümeersest keraamikast tahke elektrolüüdi kihti, mida eraldab positiivseid liitiumioone (Li+) läbilaskev keraamikakiht

Tahkisakudes kasutatavatel tahketel elektrolüütidel peab olema võimalikult suur ioonjuhtivus ja väga väike elektrijuhtivus. Et tahkisakudel oleks suurem energiatihedus ehk erienergia kui tavapärastel akudel, tuleb kasutada metallanoode. Liitiumioonaku puhul tuleks seega grafiidi asemel kasutada metallilist liitiumi. Metalliline liitium aga kipub aku tsüklite kestel moodustama dendriite. Dendriidid võivad kasvada liitiumanoodilt katoodile ja põhjustada seeläbi lühise. See on ka põhjus, miks metallilise liitiumi kasutamine tavapärastes akudes pole seni olnud võimalik. Dendriitide tekke põhjuseid liitiumioonakudes ei ole veel täielikult mõistetud ja neid uuritakse intensiivselt.[2]

Liitiumioon-tahkisakude elektrolüüdi materjale liigitatakse sageli kolme materjaliklassi: polümeersed, sulfiidsed ja oksiidsed elektrolüüdid.[3]

Praegused tahkiselektrolüüdiga liitiumõhkakudel on liitiumanood, keraamilisest või klaaskeraamilisest komposiidist elektrolüüt ja poorne süsinikkatood. Anood ja katood on elektrolüüdist tavaliselt eraldatud polümeerkeraamiliste komposiitidega, mis parandavad laenguülekannet anoodil ja ühendavad katoodi elektrokeemiliselt elektrolüüdiga. Polümeerkeraamilised komposiidid vähendavad sisetakistust.[4] Selliste ioonjuhtide näideteks on Ag4RbI5 Ag+ ioonide laengutranspordiks ja LiI/Al2O3 segud Li+ ioonide laengutranspordiks.

Omadused

[muuda | muuda lähteteksti]

Tahkisakudule on iseloomulik väikel võimsustihedus ja suur energiatihedus. Esimene omadus tuleneb raskustest edastada tugevat elektrivoolu läbi tahkete ainete piirpindade. Teisest küljest on neil akudel teatud eelised, mis selle puuduse üles kaaluvad: neid on lihtne miniaturiseerida (näiteks saab neid toota õhukeste kilede kujul) ja puudub oht, et elektrolüüdi leke akut kahjustaks. Neil on tavaliselt väga pikk eluiga ja säilivusaeg ning tavaliselt ei esine nende jõudluses järske muutusi isegi temperatuurikõikumiste korral (mis võivad põhjustada vedela elektrolüüdi külmumist või keemist). Tahkefaasiliste akude teine eelis (erinevalt [iitiumioonakudest) on see, et nad ei ole süttivad.[5]

Tahkefaasiliste akude peamine puudus on, et enamiku klaaskeraamiliste elektrolüütide ioonjuhtivus on väiksem kui vedelatel elektrolüütidel.[4]

Maht-võimsustihedus määrab akuelementide suuruse ja mass-võimsustihedus (erivõimsus) määrab elementide kaalu. Elektromobiilsuse seiskohast on neil suurustel oluline osa. IBMi teadlaste sõnul on liitiumõhkakude teoreetiliselt saavutatav erienergia (ilma õhuhapniku massita) üle 11 kWh/kg (kilovatt-tundi kilogrammi kohta). Teadlased usuvad, et praktikas võiks liitiumõhkaku saavutada umbes kümnendiku sellest teoreetilisest maksimaalsest väärtusest.[6]

Praegused liitiumioonakud

[muuda | muuda lähteteksti]

Praeguste liitiumioonakude puuduste hulka kuulub näiteks jahutamisvajadusega seotud seadmed, mis võivad moodustada üle poole liitiumioonaku mahust. Lisaks on enamik vedelaid elektrolüüte tuleohtlikud, mis nõuab täiendavaid ohutusseadmeid. Elektroodide eluea pikendamiseks tuleb ka tagada, et aku poleks täielikult laetud ega tühjenenud.[7] Ettevõtte "Sakti3" tahkisakud põhinevad endiselt liitiumioontehnoloogial, kuid vedel elektrolüüt on asendatud õhukese tahke elektrolüüdi kihiga, mis on mittesüttiv. Mõned prototüübid on olnud üsna vastupidavad. taludes tuhandeid laadimis-tühjendustsükleid.

Kasutamine

[muuda | muuda lähteteksti]

Ettevõte Daimler Truck kasutab liitiumipõhiseid tahkisakusid oma Mercedes-Benz Citaro bussides. Akude energiamahutavus on 252–441 kWh, mis on jaotatud neljaks kuni seitsmeks mooduliks. Alates 2021. aasta veebruarist on need bussid Wiesbadenis regulaarselt kasutusel olnud.[8]

Nio ET7 pakub alates 2022. aasta keskpaigast Pekingis asuva ettevõtte WeLion New Energy Technology 150 kWh pooltahkisakut, mis võimaldab NEDC- standardi kohaselt läbisõitu üle 1000 km. Nio ES8 kasutab samuti 150 kWh pooltahkisakut, mis peaks võimaldama läbi sõita 850 km.[9]

IM Motorsi IM L6 kasutab 2024. aasta aprillist väga kiiresti laetavat 133 kWh pooltahke elektrolüüdiga tahkisakut[10] ettevõttes Qingtao Energy, mis on 2014. aastal asutatud idufirma Hiina ülikoolist Jiangsus.[11]

Mercedes-Benz on alates 2024. aasta detsembrist testinud avalikel teedel tahkisakut saritoodetavas autos Mercedes-Benz EQS. Aku on toodetud USA ettevõttes "Factorial Energy". Selle aku energiatihedus peaks ulatuma kuni 450 vatt-tunnini kilogrammi kohta. Mercedes-Benzi sõnul suurendab see sõiduulatust sama aku mahu ja kaalu juures kuni 25 protsenti (umbes 821 km-lt potentsiaalselt 1026 km-ni). Tahkisaku võiks suurendada Mercedes-Benz EQS-i mahutavust tavapäraselt 118 kWh-lt umbes 148 kWh-ni. Aku on passiivjahutusega, seega mitte vedelikjahutusega.[12][13]

Alates 2025. aasta septembrist on Hiina tootja EVE Energy tootnud 10 Ah tahkisakusid droonidele ja humanoidrobotitele.[14] Seda tüüpi aku 60 Ah versioon lisati 2026. aasta märtsis; see sobib elektriautodele. [15]

Tootmisplaanid

[muuda | muuda lähteteksti]

Bonnis asuv ettevõttes "High Performance Battery" sai 2024. aasta mais masstootmiseks valmis tahkisaku, mis pidas testides vastu enam kui 12 500 laadimistsüklit, ilma et mahutavus oleks olulist vähenenud. Tahkisaku ei ole tuleohtlik ja võib töötada temperatuurivahemikus –40 °C kuni +60 °C. See välistab näiteks aku eelsoojendamise vajaduse talvel. Ettevõte pakub akut litsentsimudeli alusel.[16][17]

2023. aasta oktoobris teatasid Idemitsu ja Toyota kavast tahkisakud välja töötada ning seejärel alustada aastatel 2027–2028 masstootmist.[18]

SAIC Motor (Hiina riigiettevõte peakorteriga Shanghais) on Hiina Rahvavabariigi suurim autotootja. 2024. aasta juulis teatas ettevõte oma kavatsusest alustada tahkisakude masstootmist kahe aasta jooksul. SAIC-i IM Motorsi esimeste mudelite tarnimine on kavandatud 2027. aasta algusesse. 2024. aasta alguses moodustas Hiina Rahvavabariik tahkisakude tööstusliidu. 2024. aasta mais lisati ligi miljardi dollari suurune fond, mille kaudu valitsus edendab rakendusuuringuid.[19]

Gotion Hi-Tech, mille suurim üksikaktsionär on Volkswagen China,[20] teatas 2024. aasta mais, et on välja töötanud tahkisaku "Gemstone" erienergiaga 350 Wh/kg. [21] 2024. aasta novembris teatas Hiina autotootja Chery gigatehase ehitamisest Wuhusse (Anhui provintsi). Anhui Anwa New Energy Technology Co., mille aktsionär on Gotion Hi-Tech, hakkab tootma tahkisakusid.[22] Gotion teatas Gemstone'i eeltootmise etapist mais 2025,[23] rajati 0,2 GWh katsetootmisliin akude jaoks, mille energiatihedus on 350 Wh/kg. [24][25]

2025. aasta septembris teatas Volkswagen IAA-l, et katsetab esimest korda tahkisaku tehnoloogiat elektrimootorrattal, kusjuures Audi, VW akude tütarettevõte PowerCo, QuantumScape (USA) ja mootorrattatootja Ducati (Itaalia) teeksid selles osas koostööd.[26]

Huawei on patenteerinud sulfiidipõhine akutehnoloogia, mille energiatihedus (400–500 Wh/kg) on ligikaudu kaks kuni kolm korda suurem kui tavaliste elektriautode akudel, mis lubab oluliselt suurendada elektriautode sõiduulatust ühe laadimisega – kuni 3000 km.[27] Huawei teeb koostööd Hiina autotootjatega, nagu BAIC BluePark, et rakendada tahkisaku tehnoloogiat elektriautodes. Akutootja CATL plaanib 2027. aastal alustada hübriidtahkisakude piloottootmist.

Tahkisaku tehnoloogia on veel arendusjärgus, kuid selle potentsiaal võib oluliselt mõjutada elektriautode turgu ning aidata kaasa elektrisõidukite laialdasemale levikule.

Vaata ka

[muuda | muuda lähteteksti]

Viited

[muuda | muuda lähteteksti]
  1. 1 2 Zhonghui Gao, Huabin Sun, Lin Fu, Fangliang Ye, Yi Zhang (aprill 2018). Promises, Challenges, and Recent Progress of Inorganic Solid-State Electrolytes for All-Solid-State Lithium Batteries. Advanced Materials. Kd 30. Lk 1705702. DOI:10.1002/adma.201705702. Vaadatud 18. detsembril 2019.{{raamatuviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link)
  2. ↑ Fudong Han, Andrew S. Westover, Jie Yue, Xiulin Fan, Fei Wang (märts 2019). High electronic conductivity as the origin of lithium dendrite formation within solid electrolytes. Nature Energy. Kd 4. Lk 187–196. DOI:10.1038/s41560-018-0312-z. ISSN 2058-7546. Vaadatud 18. detsembril 2019.{{raamatuviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link)
  3. ↑ Joscha Schnell, Till Günther, Thomas Knoche, Christoph Vieider, Larissa Köhler (aprill 2018). All-solid-state lithium-ion and lithium metal batteries – paving the way to large-scale production. Journal of Power Sources. Kd 382. Lk 160–175. DOI:10.1016/j.jpowsour.2018.02.062. Vaadatud 18. detsembril 2019.{{raamatuviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link)
  4. 1 2 Binod Kumar, Jitendra Kumar (5. jaanuar 2010). Cathodes for Solid-State Lithium–Oxygen Cells: Roles of Nasicon Glass-Ceramics. Journal of The Electrochemical Society. Kd 157. Lk A611–A616. DOI:10.1149/1.3356988.
  5. ↑ "Infinite Power Solutions stellt papierdünnen Akku vor". elektroniknet.de. 6. juuni 2012. Originaali arhiivikoopia seisuga 29. oktoober 2013. Vaadatud 2. novembril 2013.
  6. ↑ "Das Battery 500-Projekt: 800 km Reichweite für Elektroautos". IBM. Vaadatud 12. detsembril 2013.
  7. ↑ Kevin Bullis (mai 2011). "Solid-State Batteries". MIT Technology Review. Originaali arhiivikoopia seisuga 1. november 2013. Vaadatud 2. novembril 2013. {{netiviide}}: |arhiivimisaeg= ja |archive-date= dubleerivad üksteist (juhend); |arhiivimisurl= ja |archive-url= dubleerivad üksteist (juhend)
  8. ↑ Marcel B (2. veebruar 2021). "ESWE Wiesbaden nimmt 21 eCitaro in Betrieb". Vaadatud 23. oktoobril 2021.
  9. ↑ Phate Zhang (21. juuli 2022). "Nio reaffirms 150-kWh solid-state battery for delivery in Q4, with flexible upgrades for users". cnevpost.com. Vaadatud 7. oktoobril 2024.
  10. ↑ Bianca Garloff (10. aprill 2024). "Auch IM aus China bietet 1000 Kilometer Elektro-Reichweite". autobild.de. Vaadatud 13. oktoobril 2024.
  11. ↑ Iris Martinz (3. märts 2022). "Start-up aus China baut 10 GWh Produktionswerk für Feststoffbatterien". elektroauto-news.net. Vaadatud 7. oktoobril 2024.
  12. ↑ Tobias Brandstetter (2025). "Pkw- und Formel-1-Ingenieure bündeln ihre Kräfte, um Festkörperbatterien in Straßentests zu erproben". Mercedes-Benz. Vaadatud 13. märtsil 2025.
  13. ↑ "Mercedes EQS mit Festkörperbatterie soll 1.000 km schaffen". insideevs.de. 24. veebruar 2025. Vaadatud 10. märtsil 2025.
  14. ↑ Cora Werwitzke (4. september 2025). "Eve Energy fertigt Feststoff-Batteriezellen für Drohnen und Co". electrive.net. Vaadatud 3. aprillil 2026.
  15. ↑ Florian Treiß (19. märts 2026). "Eve Energy bringt zwei neue Feststoffbatterien heraus". electrive.net. Vaadatud 4. aprillil 2026.
  16. ↑ Amelie Siekmann: Mall:Web archive, agrarheute.com, 18. Mai 2024.
  17. ↑ Mall:Internetquelle
  18. ↑ Yuka Obayashi (12. oktoober 2023). "Toyota, Idemitsu tie up to mass-produce all-solid-state batteries". reuters.com. Vaadatud 13. detsembril 2023.
  19. ↑ faz.net: Europas Batteriehoffnungen kommen unter die Räder (18. Juli 2024)
  20. ↑ Sebastian Schaal (21. detsember 2021). "Värtion High-Tech". Electrive.
  21. ↑ Sebastian Schaal (21. mai 2024). "Gotion High-Tech baut schnell ladbare 5C-Batterie bald in Serie". Electrive.
  22. ↑ Mark Andrews (19. november 2024). "Chery claims to be world's first company with 1 GWh solid-state battery production line". CarNewsChina.
  23. ↑ Gotion stellt die erste 0,2-GWh-Pilotlinie für Festkörperbatterien fertig, 21. Mai 2025
  24. ↑ Gotion baut Pilot-Produktion für Festkörperbatterien auf, 20. Mai 2025
  25. ↑ Gotion fertigt Solid-State-Batterie in Kleinserie, 19. Mai 2025
  26. ↑ Lysann Mosch (10. september 2025). "Ducati setzt auf ganz neuen Motorrad-Antrieb: Das sind die Vorteile". chip.de. Vaadatud 11. septembril 2025.
  27. ↑ "Huawei patenteeris äsja hiigelmahtuvusega aku – autole tagaks see 1800 km läbisõidu". Postimees. 9. juuli 2025. Vaadatud 9. juuli 2025.

Välislingid

[muuda | muuda lähteteksti]
Pärit leheküljelt "https://et.wikipedia.org/w/index.php?title=Tahkisaku&oldid=7204487"