Com a crescente procura de energia, estão também a surgir novas tecnologias de baterias. A bateria líquida, a bateria semi-sólida e a bateria de estado sólido são alguns dos tipos mais comuns.
Este documento dará uma visão global destas baterias e apresentará os materiais, a estrutura, o processo de fabrico e o desempenho das bateria de estado sólido vs bateria de estado semi-sólido vs bateria líquida a fim de melhor compreender os últimos progressos da tecnologia das pilhas.
A introdução da bateria líquida
A pilha líquida é um dos primeiros tipos de pilha e o seu interior é composto por um elétrodo positivo e um elétrodo negativo, eletrólito de bateria e separador. Nas baterias líquidas, o eletrólito funciona como uma transferência de iões, permitindo que a carga flua entre os eléctrodos positivo e negativo.
As baterias líquidas têm as seguintes vantagens:
- Grande capacidade da bateria, elevada densidade energética das baterias de lítio.
- Baixa manutenção da bateria custo.
No entanto, existem também as seguintes desvantagens:
- Fácil de vazar, riscos de segurança.
- A proteção ambiental não é boa, o eletrólito contém substâncias nocivas.
- A vida é curta e os electrólitos têm de ser repostos frequentemente.
As baterias líquidas são principalmente utilizadas em automóveis, navios e outros equipamentos de grande potência, bem como no domínio militar.
A introdução da pilha semi-sólida
A bateria semi-sólida é uma nova tecnologia de bateria entre a bateria líquida e a bateria sólida. No interior da bateria semi-sólida é utilizado um material polimérico com uma estrutura microporosa em vez do eletrólito tradicional, de modo a que os iões positivos e negativos possam ser transferidos através do polímero. As baterias semi-sólidas têm as seguintes vantagens:
- Alta segurança, não é fácil de vazar.
- Boa proteção ambiental, o material pode ser reciclado.
- Longo ciclo de vida da bateria.
No entanto, existem também as seguintes desvantagens:
- A capacidade da bateria é relativamente pequena.
- A resistência do fluxo é grande, o que resulta numa velocidade de carregamento lenta.
As baterias de estado semi-sólido são principalmente utilizadas em aparelhos inteligentes, energia móvel e outros pequenos dispositivos electrónicos.
A introdução da bateria de estado sólido
A bateria de estado sólido é uma das novas tecnologias de bateria mais populares nos últimos anos, e o seu eletrólito sólido interno substitui o tradicional eletrólito líquido. Por conseguinte, as baterias de estado sólido apresentam as seguintes vantagens
- Alta segurança, não é fácil de vazar e explodir.
- Elevada densidade energética, elevada eficiência de carga e descarga.
- Pode funcionar a temperaturas mais baixas.
No entanto, existem também as seguintes desvantagens:
- O processo de produção é complexo e dispendioso.
- A manutenção é difícil e a bateria danificada não pode ser reparada.
As baterias de estado sólido são uma das novas tecnologias de baterias mais utilizadas, principalmente em produtos electrónicos de consumo, como smartphones e computadores portáteis.
Comparação de estruturas: bateria de estado sólido vs bateria de estado semi-sólido vs bateria líquida
A comparação da estrutura da bateria de estado sólido vs bateria de estado semi-sólido vs bateria líquida é a seguinte:
Bateria líquida
Os electrólitos são um dos principais materiais das pilhas líquidas. O eletrólito conduz iões entre os materiais dos eléctrodos positivo e negativo no interior da bateria.
Garante a eficácia do circuito interno, desempenha um papel fundamental na densidade de energia, densidade de potência, ciclo de vida e desempenho de segurança, e é conhecido como o "sangue" da bateria. A tecnologia é fornecida pelas 10 principais empresas nacionais de electrólitos para baterias de iões de lítio, e a China tem estado bastante madura.
Bateria de estado semi-sólido
A bateria retém parte do eletrólito e da estrutura do separador. As pilhas semi-sólidas precisam de reter uma pequena quantidade de eletrólito junto ao eletrólito sólido para melhorar a condutividade, pelo que é necessário um separador para separar os eléctrodos positivo e negativo. Dependendo da tecnologia, os electrólitos sólidos também se apresentam sob a forma de grânulos ou de película.
Bateria de estado sólido
Sem resíduos de eletrólito, o separador tem de ser estudado. Numa bateria de estado sólido, o eletrólito será completamente substituído por um eletrólito sólido. A substituição do separador depende de diferentes vias técnicas. Em algumas soluções tecnológicas de baterias de estado sólido, o separador é mantido como a arquitetura do elétrodo de suporte; noutros casos, o diafragma é completamente eliminado.
Comparação de materiais de bateria: bateria de estado sólido vs bateria de estado semi-sólido vs bateria líquida
Os materiais de bateria da bateria de estado sólido vs bateria de estado semi-sólido vs bateria líquida são os seguintes:
Bateria líquida
A bateria líquida é composta por quatro materiais principais: material do elétrodo positivo, material do elétrodo negativo, separador e eletrólito, e o seu custo é de 45%, 15%, 18% e 10%, respetivamente. O principal componente do eletrólito líquido é um solvente orgânico, que dissolve os sais de lítio e fornece um transportador para os iões de lítio.
Bateria de estado semi-sólido
O material utilizado é basicamente o mesmo que o da bateria líquida. A bateria de lítio semi-sólida utiliza um eletrólito em gel, toma um polímero como "película de base" do eletrólito, adiciona sal de lítio, adiciona um solvente orgânico de baixo peso molecular e obtém uma substância com condutividade iónica entre um eletrólito sólido e um eletrólito líquido através da ativação por imersão.
Bateria de estado sólido
No que diz respeito às baterias de lítio de estado sólido, o material do elétrodo positivo pode continuar o material do elétrodo positivo das baterias de iões de lítio, e o material do elétrodo negativo é lítio metálico sem separador. Atualmente, existem quatro áreas principais de investigação: bateria de sulfureto de lítio, bateria de óxido de lítio, bateria de óxido de lítio, bateria de eletrólito composto de lítio.
Comparação do desempenho da bateria: bateria de estado sólido vs bateria de estado semi-sólido vs bateria líquida
Bateria de estado sólido vs bateria de estado semi-sólido vs bateria líquida diferem no desempenho da bateria das seguintes maneiras：
Densidade energética
Segundo consta, a densidade energética mais elevada das baterias líquidas é de 300Wh/kg. A bateria semi-sólida é de 360wh/kg, e a densidade energética será ainda melhorada através do aperfeiçoamento dos materiais dos eléctrodos positivo e negativo. A densidade energética atual das baterias de estado sólido é de 400Wh/kg e prevê-se que atinja 900Wh/kg.
Segurança
A segurança da bateria de estado sólido é a melhor, porque não há eletrólito líquido inflamável, não há queima, não há fugas, não há corrosão, a bateria semi-sólida no meio, a bateria líquida é a pior.
Desempenho a altas e baixas temperaturas
As baterias de estado sólido têm o melhor desempenho a altas temperaturas e o pior desempenho a baixas temperaturas. As baterias líquidas têm o melhor desempenho a baixas temperaturas e o pior desempenho a altas temperaturas.
Duração da bateria
As baterias de estado sólido têm uma vida útil mais longa porque não têm problemas como a corrosão e as fugas. As baterias semi-sólidas estão no meio. As baterias líquidas podem ser melhoradas para prolongar a sua vida útil.
Comparação do processo de fabrico: bateria de estado sólido vs bateria de estado semi-sólido vs bateria líquida
O processo de fabrico da pilha de estado sólido vs pilha de estado semi-sólido vs pilha líquida difere das seguintes formas:
Bateria líquida
O processo de produção de baterias líquidas divide-se em três fases: antes, durante e depois. O objetivo do processo anterior é transformar as matérias-primas em folhas polares, e o processo principal é o revestimento.
O objetivo da secção intermédia é transformar a folha de pólo num processo de secção intermédia de bateria inativa, que inclui principalmente o enrolamento/empilhamento da célula de bateria e a injeção da célula de bateria. A última parte do processo é o teste e a embalagem.
Bateria semi-sólida
O processo de preparação de baterias semi-sólidas é compatível com o processo tradicional de produção de baterias de lítio. As baterias semi-sólidas podem ser rapidamente colocadas no mercado, uma vez que utilizam, tanto quanto possível, o equipamento e os processos das baterias líquidas existentes, das quais apenas as 10%-20% têm requisitos de equipamento de processamento diferentes.
Bateria de estado sólido
O processo de produção das baterias de estado sólido é um pouco diferente do das baterias de iões tradicionais. A solução de eletrólito de uma bateria de estado sólido utiliza uma mistura sol-gel que requer secagem para vaporizar o solvente e obter uma película de eletrólito sólido, o que requer um revestimento adicional de eletrólito e processos de irradiação UV e cozedura. Uma vez que não existe eletrólito, não é necessário qualquer processo de injeção.
Resumir
As baterias de estado sólido permitem a conceção de películas de bateria tão pequenas como alguns nanómetros, alargando a gama de aplicações das baterias de iões de lítio e tornando possível a independência e flexibilidade das baterias.
Devido à sua segurança e potencialmente elevada densidade energética, as baterias de estado sólido são consideradas uma importante direção de desenvolvimento para a próxima geração de baterias de energia. No entanto, o eletrólito sólido continua a ter o obstáculo da baixa condutividade iónica, da fraca compatibilidade e estabilidade da interface elétrodo/eletrólito.
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