Vaikuttaako kylmyys puolijohdeakkuihin?

Miten kylmyys vaikuttaa puolijohdeakkuihinja mitä asialle tehdään:

Miksi kylmä on haaste

1. Alempi ionijohtavuus

   • Kiinteät elektrolyytit (keraamit, sulfidit, polymeerit) perustuvat litiumionien hyppimiseen jäykkien kide- tai polymeerirakenteiden läpi.

   • Alhaisissa lämpötiloissa tämä hyppiminen hidastuu, jotensisäinen vastus kasvaaja tehontuotto laskee.

2. Käyttöliittymäongelmat

   • Kiinteän olomuodon akussa kiinteän elektrolyytin ja elektrodien välinen kontakti on ratkaisevan tärkeää.

   • Kylmät lämpötilat voivat kutistaa materiaaleja eri nopeuksilla, mikä luomikroraotrajapinnoilla → mikä pahentaa ionien virtausta.

3. Latausvaikeus

   • Aivan kuten nestemäisten litiumioniakkujen, lataaminen erittäin alhaisissa lämpötiloissa on vaarallistalitiumpinnoitus(anodille muodostuu metallinen litium).

   • Kiinteässä tilassa tämä voi olla vieläkin vahingollisempaa, koska dendriitit (neulan kaltaiset litiumkerrostumat) voivat halkaista kiinteän elektrolyytin.

Verrattuna tavalliseen litiumioniakkuun

• Nestemäinen elektrolyytti litiumioniKylmä tekee nesteestä paksumpaa (vähemmän johtavaa), mikä lyhentää kantamaa ja latausnopeutta.

• PuolijohdelitiumioniakkuTurvallisempi kylmässä (ei nesteen jäätymistä/vuotoa), muttamenettää silti johtavuuttaankoska kiinteät aineet eivät kuljeta ioneja hyvin matalissa lämpötiloissa.

Nykyiset ratkaisut tutkimuksessa

1. Sulfidielektrolyytit

   • Jotkut sulfidipohjaiset kiinteät elektrolyytit säilyttävät suhteellisen korkean johtavuuden jopa alle 0 °C:ssa.

   • Lupaava sähköautoille kylmillä alueilla.

2. Polymeeri-keraamiset hybridit

   • Joustavien polymeerien ja keraamisten hiukkasten yhdistäminen parantaa ionivirtausta matalissa lämpötiloissa ja säilyttää samalla turvallisuuden.

3. Rajapintasuunnittelu

   • Pinnoitteita tai puskurikerroksia kehitetään pitämään elektrodin ja elektrolyyttikontakti vakaana lämpötilanvaihteluiden aikana.

4. Sähköautojen esilämmitysjärjestelmät

   • Aivan kuten nykyiset sähköautot lämmittävät nestemäisiä akkuja ennen latausta, tulevaisuuden puolijohdesähköautot saattavat käyttäälämmönhallintapitääkseen solut ihanteellisella lämpötila-alueella (15–35 °C).

Yhteenveto:
Kylmä todellakin vaikuttaa kiinteän olomuodon akkuihin, pääasiassa alhaisemman ionijohtavuuden ja rajapinnan resistanssin vuoksi. Ne ovat silti turvallisempia kuin nestemäiset litiumioniakut näissä olosuhteissa, muttasuorituskyky (kantama, latausnopeus, teho) voi laskea merkittävästi alle 0 °C:nTutkijat työskentelevät aktiivisesti kylmässäkin sähköä johtavien elektrolyyttien ja mallien parissa tavoitteenaan luotettava käyttö sähköautoissa myös talvi-ilmastoissa.