كيف تعمل بطارية الحالة الصلبة؟

كيف أبطارية الحالة الصلبةعمل؟ شرح عادي لمشغلي الطائرات بدون طيار

فهم كيف أبطارية الحالة الصلبةالأعمال لا تتطلب درجة الكيمياء. يتطلب الأمر فهم اختلاف رئيسي واحد عن البطاريات التي تعرفها بالفعل - ثم اتباع منطق ما يتغير هذا الاختلاف.

فيما يلي أوضح شرح لتشغيل بطارية الحالة الصلبة، وهو مكتوب للأشخاص الذين يقودون طائرات بدون طيار وليس للأشخاص الذين يصنعونها.

ابدأ بما تفعله كل بطارية

كل بطارية — بطارية الهاتف،بطارية الطائرة بدون طياربطارية السيارة - تقوم بنفس الوظيفة الأساسية. يقوم بتخزين الطاقة الكيميائية وتحويلها إلى طاقة كهربائية عند الطلب.

يوجد داخل كل بطارية ليثيوم 3 مكونات أساسية: قطب موجب يسمى الكاثود، وقطب سالب يسمى الأنود، وطبقة وسطى تسمى المنحل بالكهرباء تقع بينهما. أثناء الشحن، تنتقل أيونات الليثيوم من الكاثود، عبر المنحل بالكهرباء، إلى القطب الموجب - لتخزين الطاقة في هذا الترتيب. أثناء التفريغ، تتحرك تلك الأيونات للخلف في الاتجاه المعاكس، وتعمل الطاقة المنطلقة في تلك الحركة على تشغيل محركات الطائرة بدون طيار.

وظيفة المنحل بالكهرباء محددة: السماح لأيونات الليثيوم بالمرور، ولكن منع الإلكترونات. يجب أن تنتقل الإلكترونات عبر الدائرة الخارجية - من خلال وحدات التحكم في المحركات، والمحركات، وإلكترونيات الطيران - وهذه هي الطريقة التي تؤدي بها عملاً مفيدًا. إذا تمكنت الإلكترونات من عبور الإلكتروليت مباشرة، فسوف يحدث قصر في دائرة البطارية على الفور.

ما الذي يجعل الحالة الصلبة مختلفة

في بطاريات الليثيوم بوليمر التقليدية، يكون الإلكتروليت عبارة عن سائل أو هلام - على وجه التحديد، مذيب عضوي يحتوي على أملاح الليثيوم الذائبة. إنه يعمل بشكل جيد. كما أنه قابل للاشتعال وحساس لدرجة الحرارة ويتحلل بمرور الوقت من خلال التفاعلات الكيميائية مع أسطح الأقطاب الكهربائية.

تستبدل بطارية الحالة الصلبة هذا السائل بمادة صلبة. لا يزال المنحل بالكهرباء الصلب يقوم بنفس الوظيفة تمامًا، وهو السماح لأيونات الليثيوم بالمرور أثناء حجب الإلكترونات، لكنه يفعل ذلك من خلال آلية فيزيائية مختلفة تمامًا.

فبدلاً من أن تنجرف الأيونات عبر السائل، فإنها تتحرك عبر بنية صلبة بلورية أو غير متبلورة، وتتنقل بين المواقع الموصلة للأيونات داخل المادة. اعتمادًا على كيمياء الإلكتروليت، قد تكون تلك المواد الصلبة عبارة عن سيراميك (مثل LLZO — أكسيد زركونيوم الليثيوم لانثانوم)، أو بوليمرات، أو مركبات كبريتيد. لكل منها موصلية أيونية مختلفة، وأداء درجة الحرارة، وخصائص التصنيع.

ما التغييرات حول الأداء

نظرًا لأن الإلكتروليت أصبح الآن صلبًا، فإن عدة أشياء تتغير في وقت واحد:

تنخفض مخاطر الحرائق بشكل ملحوظ. المذيب العضوي الذي يجعل الإلكتروليتات السائلة قابلة للاشتعال غير موجود. لا يوجد شيء يمكن إشعاله في التسلسل الحراري الجامح الذي يسبب حرائق بطارية الليثيوم. تفقد خلية الحالة الصلبة التالفة ميكانيكيًا وظيفتها بدلاً من أن تصبح خطراً على الحريق.

يمكن للخلية استيعاب أنود معدن الليثيوم. في بطاريات الإلكتروليت السائلة، تسبب أنودات معدن الليثيوم نمو التغصنات - وهي خيوط معدنية تؤدي في النهاية إلى قصر دائرة الخلية. تتميز الإلكتروليتات الصلبة بالكثافة الكافية لمنع اختراق التشعبات، مما يجعل أنودات معدن الليثيوم قابلة للحياة. يخزن معدن الليثيوم ما يقرب من 10 أضعاف الطاقة لكل جرام من أنودات الجرافيت المستخدمة في البطاريات التقليدية - والتي تعد مصدرًا لمزايا كثافة طاقة بطارية الحالة الصلبة.

يتباطأ التدهور. تتفاعل الإلكتروليتات السائلة تدريجيًا مع أسطح الأقطاب الكهربائية على مدى مئات دورات الشحن، لتشكل طبقات تزيد من المقاومة الداخلية وتقلل من السعة. تعتبر الإلكتروليتات الصلبة أكثر استقرارًا كيميائيًا، وتتفاعل بشكل أبطأ مع مواد الأقطاب الكهربائية. هذا الاستقرار هو السبب وراء إظهار بطاريات الحالة الصلبة دورة حياة أطول في ظل ظروف تشغيل مماثلة.

ما لم يتغير

العملية الأساسية - أيونات الليثيوم التي تتحرك ذهابًا وإيابًا بين الكاثود والأنود من خلال المنحل بالكهرباء - مماثلة لكل بطارية ليثيوم استخدمتها من قبل. نطاق الجهد مشابه. تتبع عملية الشحن والتفريغ نفس المبادئ. لا تزال البطارية بحاجة إلى نظام إدارة البطارية لمراقبة جهد الخلية وإدارة التوازن والحماية من حالات سوء الاستخدام.

الحالة الصلبة ليست نوعًا مختلفًا من تخزين الطاقة. إنه نفس النوع، مع مكون واحد - المنحل بالكهرباء - أعيد تصميمه بطريقة تزيل أهم القيود في كيمياء بطارية الليثيوم التقليدية.

بطاريات الطائرات بدون طيار ذات الحالة الصلبة من زيباتري

زيباتريتطور بطاريات الليثيوم أيون الصلبة وبطاريات الليثيوم بوليمر بدون طيار عالية الأداء لتطبيقات الطائرات بدون طيار التجارية. إن فهم كيفية عمل التكنولوجيا هو نقطة البداية لفهم سبب اختلاف خصائص الأداء - ولاتخاذ قرارات البطارية بناءً على الفهم الحقيقي بدلاً من أرقام ورقة المواصفات وحدها.