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Con l'aumento della domanda di energia, stanno emergendo anche nuove tecnologie per le batterie. Le batterie liquide, le batterie semisolide e le batterie allo stato solido sono tra i tipi più comuni.
Il presente documento fornirà una panoramica completa di queste batterie e introdurrà i materiali, la struttura, il processo di produzione, le prestazioni delle batterie. batteria allo stato solido vs. batteria allo stato semisolido vs. batteria liquida al fine di comprendere meglio gli ultimi progressi della tecnologia delle batterie.
L'introduzione della batteria liquida
La batteria liquida è uno dei primi tipi di batteria e il suo interno è composto da un elettrodo positivo e da un elettrodo negativo, elettrolita per batterie e separatore. Nelle batterie liquide, l'elettrolita agisce come un trasferimento di ioni, permettendo alla carica di fluire tra gli elettrodi positivi e negativi.
Le batterie liquide presentano i seguenti vantaggi:
- Grande capacità della batteria, elevata densità energetica delle batterie al litio.
- Basso manutenzione della batteria costo.
Tuttavia, vi sono anche i seguenti svantaggi:
- Facilità di fuga, rischi per la sicurezza.
- La protezione dell'ambiente non è buona, l'elettrolito contiene sostanze nocive.
- La vita è breve e gli elettroliti devono essere sostituiti frequentemente.
Le batterie liquide sono utilizzate principalmente nelle automobili, nelle navi e in altre grandi apparecchiature di potenza, oltre che in campo militare.
L'introduzione della batteria semisolida
La batteria semi-solida è una nuova tecnologia di batteria a metà tra la batteria liquida e la batteria solida. All'interno della batteria semisolida, al posto dell'elettrolita tradizionale, viene utilizzato un materiale polimerico con una struttura microporosa, in modo che gli ioni positivi e negativi possano essere trasferiti attraverso il polimero. Le batterie semisolide presentano i seguenti vantaggi:
- Elevata sicurezza, non facile da perdere.
- Buona protezione ambientale, il materiale può essere riciclato.
- Lungo ciclo di vita della batteria.
Tuttavia, vi sono anche i seguenti svantaggi:
- La capacità della batteria è relativamente bassa.
- La resistenza al flusso è elevata e comporta una velocità di carico ridotta.
Le batterie allo stato semisolido sono utilizzate principalmente negli indossabili intelligenti, nell'alimentazione mobile e in altri piccoli dispositivi elettronici.
L'introduzione della batteria allo stato solido
La batteria allo stato solido è una delle nuove tecnologie più diffuse negli ultimi anni e il suo elettrolita solido interno sostituisce il tradizionale elettrolita liquido. Pertanto, le batterie allo stato solido presentano i seguenti vantaggi:
- Alta sicurezza, non facile da perdere e da esplodere.
- Alta densità di energia, elevata efficienza di carica e scarica.
- Può lavorare a temperature più basse.
Tuttavia, vi sono anche i seguenti svantaggi:
- Il processo di produzione è complesso e costoso.
- La manutenzione è difficile e la batteria danneggiata non può essere riparata.
Le batterie allo stato solido sono una delle nuove tecnologie di batterie più diffuse, utilizzate soprattutto nell'elettronica di consumo come smartphone e computer portatili.
Confronto tra le strutture: batteria allo stato solido vs batteria allo stato semisolido vs batteria liquida
Il confronto tra la struttura della batteria allo stato solido e quella della batteria allo stato semi-solido e della batteria liquida è il seguente:
Batteria liquida
Gli elettroliti sono uno dei materiali chiave delle batterie liquide. L'elettrolita conduce gli ioni tra gli elettrodi positivi e negativi all'interno della batteria.
Garantisce l'efficacia del circuito interno, svolge un ruolo chiave nella densità di energia, nella densità di potenza, nella durata dei cicli e nelle prestazioni di sicurezza ed è noto come il "sangue" della batteria. La tecnologia è fornita dalle 10 principali aziende nazionali produttrici di elettroliti per batterie agli ioni di litio e la Cina ha raggiunto una certa maturità.
Batteria allo stato semisolido
La batteria conserva parte della struttura dell'elettrolita e del separatore. Le batterie semisolide devono conservare una piccola quantità di elettrolita accanto all'elettrolita solido per migliorare la conduttività, quindi è necessario un separatore per separare gli elettrodi positivi e negativi. A seconda della tecnologia, gli elettroliti solidi sono disponibili anche in forma granulare o di film.
Batteria allo stato solido
Senza residui di elettrolita, il separatore deve essere studiato. In una batteria allo stato solido, l'elettrolita sarà completamente sostituito da un elettrolita solido. L'eventuale sostituzione del separatore dipende da diversi percorsi tecnici. In alcune soluzioni tecnologiche per batterie allo stato solido, il separatore viene mantenuto come architettura dell'elettrodo di supporto; in altri casi, il diaframma viene completamente eliminato.
Confronto tra i materiali delle batterie: batteria allo stato solido vs batteria allo stato semisolido vs batteria liquida
I materiali della batteria, tra batteria allo stato solido e batteria allo stato semi-solido e batteria liquida, sono i seguenti:
Batteria liquida
La batteria liquida è composta da quattro materiali chiave: materiale per elettrodi positivi, materiale per elettrodi negativi, separatore ed elettrolita, il cui costo ammonta rispettivamente a 45%, 15%, 18% e 10%. Il componente principale dell'elettrolita liquido è un solvente organico, che scioglie i sali di litio e fornisce un vettore per gli ioni di litio.
Batteria allo stato semisolido
Il materiale utilizzato è sostanzialmente lo stesso della batteria liquida. La batteria al litio semisolida utilizza un elettrolita gel, prende un polimero come "film di base" dell'elettrolita, aggiunge un sale di litio, aggiunge un solvente organico a basso contenuto molecolare e ottiene una sostanza con conducibilità ionica tra un elettrolita solido e un elettrolita liquido attraverso l'attivazione per immersione.
Batteria allo stato solido
Per quanto riguarda le batterie al litio allo stato solido, il materiale dell'elettrodo positivo può continuare quello delle batterie agli ioni di litio, mentre il materiale dell'elettrodo negativo è il litio metallico senza separatore. Attualmente, le principali aree di ricerca sono quattro: batteria al solfuro di litio, batteria all'ossido di litio, batteria all'ossido di litio, batteria con elettrolita composito di litio.
Confronto delle prestazioni della batteria: batteria allo stato solido vs batteria allo stato semi-solido vs batteria liquida
Le batterie allo stato solido e le batterie allo stato semi-solido e le batterie liquide si differenziano per le loro prestazioni nei seguenti modi: - le batterie allo stato solido e le batterie allo stato semi-solido.
Densità di energia
Secondo quanto riportato, la massima densità energetica delle batterie liquide è di 300Wh/kg. La densità energetica delle batterie semisolide è di 360Wh/kg e sarà ulteriormente migliorata grazie al miglioramento dei materiali degli elettrodi positivi e negativi. L'attuale densità energetica delle batterie allo stato solido è di 400Wh/kg e si prevede che raggiungerà i 900Wh/kg.
Sicurezza
La sicurezza delle batterie allo stato solido è la migliore, perché non c'è elettrolita liquido infiammabile, non si brucia, non ci sono perdite, non c'è corrosione, la batteria semisolida è nel mezzo, la batteria liquida è la peggiore.
Prestazioni ad alta e bassa temperatura
Le batterie allo stato solido hanno le migliori prestazioni ad alta temperatura e le peggiori a bassa temperatura. Le batterie a liquido hanno le migliori prestazioni a bassa temperatura e le peggiori ad alta temperatura.
Durata della batteria
Le batterie allo stato solido hanno una durata maggiore perché non presentano problemi come la corrosione e le perdite. Le batterie semisolide si collocano nel mezzo. Le batterie liquide hanno un margine di miglioramento per quanto riguarda l'estensione della durata delle batterie.
Confronto tra i processi di produzione: batteria allo stato solido vs batteria allo stato semisolido vs batteria liquida
Il processo di produzione di una batteria allo stato solido o di una batteria allo stato semi-solido o di una batteria liquida differisce nei seguenti modi:
Batteria liquida
Il processo di produzione delle batterie liquide si divide in tre fasi: prima, durante e dopo. Lo scopo del processo precedente è quello di trasformare le materie prime in fogli polari, mentre il processo centrale è il rivestimento.
Lo scopo della sezione intermedia è quello di trasformare il foglio del polo in un processo di sezione intermedia della batteria inattiva, che comprende principalmente l'avvolgimento/impilaggio della cella della batteria e l'iniezione della cella della batteria. L'ultima parte del processo è costituita dal collaudo e dall'imballaggio.
Batteria semisolida
Il processo di preparazione delle batterie semisolide è compatibile con il tradizionale processo di produzione delle batterie al litio. Le batterie semisolide possono essere immesse sul mercato in tempi rapidi, perché mutuano il più possibile dalle attrezzature e dai processi delle batterie liquide esistenti, di cui solo 10%-20% hanno requisiti diversi per quanto riguarda le attrezzature di processo.
Batteria allo stato solido
Il processo di produzione delle batterie allo stato solido è leggermente diverso da quello delle batterie agli ioni tradizionali. La soluzione elettrolitica di una batteria allo stato solido utilizza una miscela sol-gel che richiede un'essiccazione per vaporizzare il solvente e ottenere un film elettrolitico solido, che richiede un ulteriore rivestimento elettrolitico e processi di irradiazione UV e cottura. Poiché non c'è elettrolita, non è necessario alcun processo di iniezione.
Riassumere
Le batterie allo stato solido supportano design di film di batteria di pochi nanometri, ampliando la gamma di applicazioni delle batterie agli ioni di litio e rendendo possibile l'indipendenza e la flessibilità delle batterie.
Grazie alla loro sicurezza e alla potenziale alta densità di energia, le batterie allo stato solido sono considerate un'importante direzione di sviluppo per la prossima generazione di batterie di potenza. Tuttavia, l'elettrolita solido presenta ancora il problema della bassa conducibilità ionica, della scarsa compatibilità e stabilità dell'interfaccia elettrodo/elettrolita.
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