بطارية الحالة شبه الصلبة هي تقنية جديدة لتخزين الطاقة الكهروكيميائية، ويتكون تعليق القطب الكهربائي بشكل أساسي من مواد نشطة ومواد مضافة موصلة وإلكتروليت. يتم تثبيت تعليق القطب الموجب والسالب للبطارية في خزانين لتخزين السوائل، ويتم استخدام مضخة توصيل السائل لتدوير التعليق بين مفاعل البطارية وخزان تخزين السائل الخارجي. داخل مفاعل البطارية، يتم فصل المعلقات الإيجابية والسلبية بواسطة الحجاب الحاجز الأيوني. عند الشحن، تنتقل الأيونات الموجودة داخل البطارية من الطرف الموجب إلى الطرف السالب، وتنتقل الإلكترونات من الطرف الموجب إلى الطرف السالب عبر الدائرة الخارجية؛ بينما عند التفريغ تتحرك الأيونات والإلكترونات في الاتجاه المعاكس للشحن.

مزايا خلايا البطارية شبه الصلبة

ميزة البطاريات شبه الصلبة هي أنه يمكن تنظيم سعة تخزين الطاقة والطاقة بشكل مستقل، أي أن سعة تخزين الطاقة يتم تحديدها حسب حجم خزان السائل، ويتم تحديد الطاقة حسب حجم غرفة تفاعل البطارية. . بالإضافة إلى ذلك، تم تحسين استخدام مواد القطب الموجب والسالب مقارنة بالبطاريات التقليدية، ومن السهل استبدال أو تجديد الإلكتروليت الموجود في تعليق القطب. ومن خلال تحسين تركيبة تعليق القطب الكهربائي وبنية الخلية، يمكن تحسين الأداء الكهروكيميائي للبطارية بشكل أكبر ويمكن تقليل تكلفتها الإجمالية.

يجمع هذا التصميم بين خصائص البطاريات الصلبة والسائلة ويتمتع بالميزات الهامة التالية:
(1) السلامة: البطاريات شبه الصلبة أكثر أمانًا مقارنة بالبطاريات السائلة التقليدية. نظرًا لأن الجزء المنحل بالكهرباء صلب، فليس من السهل التسرب، مما يقلل من خطر انفجار البطارية. استبعد خطر بطاريات الليثيوم التقليدية في المواقف التالية: ① قد يحدث العمل تحت تشعبات الليثيوم ذات التيار العالي، مما قد يؤدي إلى ثقب الحجاب الحاجز مما يؤدي إلى تلف ماس كهربائى. ② المنحل بالكهرباء هو سائل عضوي، وسيتم تكثيف ميل التفاعلات الجانبية والتحلل التأكسدي وتوليد الغاز والاحتراق عند درجات حرارة عالية.
(2) كثافة طاقة عالية: يمكن للبطاريات شبه الصلبة تحقيق كثافة طاقة أعلى، مما يعني أنها تستطيع تخزين المزيد من الطاقة بنفس الحجم والوزن، وتوفر وقت استخدام أطول.
(3) الشحن السريع: تتغلب الخلايا شبه الصلبة على مشكلة الشحن البطيء لبطاريات الحالة الصلبة التقليدية مع أداء شحن أفضل، مما يسمح بشحن البطارية بشكل أسرع.
(4) صديقة للبيئة: بالمقارنة مع البطاريات التقليدية، فإن المواد المستخدمة في البطاريات شبه الصلبة أكثر صديقة للبيئة، مما يقلل من التأثير السلبي على البيئة.
نظرًا للمزايا المذكورة أعلاه للبطاريات شبه الصلبة، فإن لديها آفاق تطبيق واسعة في مجالات السيارات الكهربائية والأجهزة الإلكترونية المحمولة وتخزين الطاقة المتجددة.

ما هي مميزات البطاريات شبه الصلبة مقارنة بالبطاريات السائلة التقليدية؟

أمان أعلى: بالمقارنة مع البطاريات السائلة التقليدية، تستخدم البطاريات شبه الصلبة إلكتروليتًا شبه صلب يشبه الهلام أو مساميًا، مما يقلل من خطر تسرب البطارية واحتراقها، وبالتالي يوفر مستوى أعلى من الأمان.
كثافة طاقة أعلى: بالمقارنة مع بطاريات الحالة الصلبة، يتمتع الإلكتروليت الموجود في البطاريات شبه الصلبة عادةً بموصلية أيونية أفضل، مما يسمح للبطارية بتخزين المزيد من الطاقة بنفس الحجم، مما يزيد من كثافة الطاقة.
أداء شحن سريع أفضل: تتمتع البطاريات شبه الصلبة بموصلية أيونية أفضل، والتي يمكنها دعم سرعات شحن أسرع وتقصير أوقات الشحن.
أداء جيد في درجات الحرارة المنخفضة: البطاريات شبه الصلبة أكثر استقرارًا في درجات الحرارة المنخفضة من البطاريات السائلة التقليدية، مع تدهور أقل في أداء البطارية.
صديقة للبيئة: عادة ما تستخدم البطاريات شبه الصلبة مواد غير عضوية أو موارد متجددة مثل المنحل بالكهرباء، مما يقلل من التأثير على البيئة وأكثر صداقة للبيئة.
عمر دورة أفضل: بما أن البطاريات شبه الصلبة تتجنب تدفق الإلكتروليت السائل، فإن هناك تآكلًا وتراكمًا أقل داخل البطارية، مما يؤدي إلى دورة حياة أفضل.
بشكل عام، تتمتع البطاريات شبه الصلبة بمزايا معينة مقارنة بالبطاريات السائلة التقليدية وبطاريات الحالة الصلبة من حيث السلامة، وكثافة الطاقة، وأداء الشحن، والأداء في درجات الحرارة المنخفضة، والصداقة البيئية، ودورة الحياة.

كيف تعمل البطارية شبه الصلبة؟

هجرة الأيونات في مخاليط الإلكتروليت الصلبة والسائلة أثناء الشحن والتفريغ، مما يؤدي إلى تخزين الطاقة وإطلاقها.

تشتمل المكونات الرئيسية للبطارية شبه الصلبة على قطبين كهربائيين (عادةً موجب وسالب) وإلكتروليت شبه صلب. يتم فصل الأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة بواسطة إلكتروليت شبه صلب، مما يشكل منطقة تفاعل كهروكيميائية.
أثناء الشحن والتفريغ، يطلق القطب الموجب الإلكترونات بينما يمتصها القطب السالب. وفي الوقت نفسه، في المنحل بالكهرباء شبه الصلبة، سوف تتحرك الأيونات بين الأقطاب الكهربائية الإيجابية والسلبية. خاصة:
عملية الشحن:
أثناء الشحن، يقوم مصدر طاقة خارجي بتزويد البطارية بالتيار، مما يتسبب في بدء الأيونات المعدنية الموجودة في مادة القطب الموجب (على سبيل المثال، أيونات الليثيوم) في إزالة الإلكترونات وإطلاقها. تتدفق هذه الإلكترونات عائدة إلى القطب السالب عبر الدائرة الخارجية، لتكمل عملية شحن البطارية. في الوقت نفسه، يتم نقل الأيونات المعدنية الموجودة في مادة القطب الموجب إلى القطب السالب في الإلكتروليت شبه الصلب ويتم دمجها في القطب السالب، مما يكمل نقل الأيونات في البطارية.

عملية التفريغ:
أثناء التفريغ، تقوم دائرة خارجية بتوصيل الحمل وتتدفق الإلكترونات من القطب السالب إلى القطب الموجب لتوفير الطاقة للحمل. في الوقت نفسه، تبدأ الأيونات المعدنية الموجودة في مادة القطب السالب في الإزالة ويتم نقلها إلى القطب الموجب في المنحل بالكهرباء شبه الصلب. عند القطب الموجب، يتم دمج هذه الأيونات المعدنية في المادة الموجبة، مما يكمل عملية التفريغ في البطارية.
طوال عملية الشحن والتفريغ، يلعب الإلكتروليت شبه الصلب دور التوصيل الأيوني، مما يسمح بانتقال الأيونات الفعال بين الأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة، وبالتالي استكمال تفاعلات الشحن والتفريغ للبطارية.

مخطط مبدأ عمل بطارية التدفق السائل شبه الصلبة

في أي المجالات تكون للبطاريات شبه الصلبة تطبيقات واعدة؟

سيارة كهربائية: تتمتع بطاريات الحالة شبه الصلبة بالقدرة على أن تكون حلاً مهمًا لتخزين الطاقة في السيارات الكهربائية نظرًا لكثافة الطاقة العالية وأداء الشحن السريع. يمكن لتكنولوجيا البطاريات هذه أن توفر نطاقًا أطول ووقت شحن أقصر، وبالتالي تعزيز تعميم وتطوير السيارات الكهربائية.

الأجهزة القابلة للارتداء: مع تزايد شعبية الساعات الذكية والأساور الذكية وغيرها من الأجهزة القابلة للارتداء، هناك طلب متزايد على البطاريات الصغيرة وخفيفة الوزن وذات كثافة الطاقة العالية. إن كثافة الطاقة العالية وسلامة بطاريات الحالة شبه الصلبة تجعلها مصدرًا مثاليًا للطاقة للأجهزة القابلة للارتداء.
الأجهزة المحمولة: تتطلب الأجهزة المحمولة مثل الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية بطاريات موثوقة وعالية الأداء. أداء الشحن السريع ودورة الحياة الطويلة للبطاريات شبه الصلبة يجعلها خيار طاقة جذابًا للأجهزة المحمولة.
أنظمة تخزين الطاقة: إن كثافة الطاقة العالية وموثوقية بطاريات الحالة شبه الصلبة تجعلها خيارًا محتملاً لأنظمة تخزين الطاقة المنزلية والصناعية. ويمكن استخدام هذه الأنظمة لتحقيق التوازن بين العرض والطلب على الطاقة، وتخزين مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح.
الفضاء الجوي: في قطاع الطيران، يعد الوزن الخفيف والأداء العالي للبطاريات أمرًا بالغ الأهمية لأداء الطائرات والأقمار الصناعية. تتمتع بطاريات الحالة شبه الصلبة بميزة توفير كثافة طاقة أعلى وأداء أفضل للسلامة، وبالتالي لديها القدرة على استخدامها على نطاق واسع في قطاع الطيران.
الأجهزة الطبية القابلة للارتداء: تشهد الصناعة الطبية طلبًا كبيرًا على البطاريات الصغيرة والآمنة والموثوقة لدعم استخدام مختلف الأجهزة الطبية القابلة للارتداء. خصائص البطاريات شبه الصلبة تمنحها إمكانية التطبيق في هذا المجال.

في الواقع، هناك العديد من السيناريوهات حيث يمكن استخدامه بسبب خصائصه التالية: تحسين السلامة، ومقاومة درجات الحرارة العالية، وكثافة الطاقة العالية، والقدرة على الشحن السريع
دورة حياة طويلة، مرونة التصميم

العيوب الأساسية لفوسفات الحديد الليثيوم

(1) في عملية التلبيد أثناء تحضير فوسفات حديد الليثيوم، هناك احتمال أن يتم اختزال أكسيد الحديد إلى حديد أحادي تحت جو مخفض لدرجة الحرارة العالية. يمكن أن يتسبب الحديد أحادي الذرة في حدوث ماس كهربائي صغير للبطارية، وهي مادة محظورة في البطارية.
(2) يحتوي فوسفات حديد الليثيوم على بعض عيوب الأداء، مثل كثافة الاهتزاز المنخفضة جدًا وكثافة الضغط، مما يؤدي إلى انخفاض كثافة طاقة بطاريات الليثيوم أيون. أداء درجات الحرارة المنخفضة ضعيف، وحتى النانو والطلاء الكربوني لم يحل هذه المشكلة.
(3) The preparation cost of the material and the manufacturing cost of the battery are high, and the battery yield is low and the consistency is poor. Although the nanosizing and carbon coating of lithium iron phosphate improves the electrochemical performance of the material, it also brings other problems, such as the reduction of energy density, the increase in the cost of synthesis, poor processing performance of the electrode and harsh environmental requirements. Although the chemical elements Li, Fe and P in lithium iron phosphate is very rich, the cost is also lower, but the preparation of lithium iron phosphate product cost is not low, even if the previous R & D costs are removed, the material process costs coupled with the higher cost of preparing batteries, will make the unit of energy storage power cost is high.
(4) ضعف اتساق المنتج. من وجهة نظر تحضير المواد، فإن التفاعل التوليفي لفوسفات حديد الليثيوم هو تفاعل معقد متعدد المراحل، مع فوسفات الطور الصلب، وأكاسيد الحديد، وأملاح الليثيوم، بالإضافة إلى سلائف الكربون وطور الغاز المختزل. في عملية التفاعل المعقدة هذه، من الصعب ضمان اتساق التفاعل.