Semi-Solid-State-Batterien sind eine neue elektrochemische Energiespeichertechnologie, deren Elektrodensuspension hauptsächlich aus aktiven Materialien, leitfähigen Zusätzen und Elektrolyt besteht. Die positiven und negativen Elektrodensuspensionen der Batterie sind in zwei Flüssigkeitsspeichertanks installiert, und die Flüssigkeitsförderpumpe wird verwendet, um die Suspension zwischen dem Batteriereaktor und dem externen Flüssigkeitsspeichertank zu zirkulieren. Im Batteriereaktor werden die positiven und negativen Suspensionen durch ein Ionendiaphragma getrennt. Beim Laden bewegen sich die Ionen im Inneren der Batterie vom Pluspol zum Minuspol und die Elektronen bewegen sich durch den externen Stromkreis vom Pluspol zum Minuspol. Beim Entladen hingegen bewegen sich die Ionen und Elektronen in die entgegengesetzte Richtung zum Laden.

Vorteile von Semi-Solid-State-Batteriezellen

Der Vorteil halbfester Batterien besteht darin, dass die Energiespeicherkapazität und die Leistung unabhängig voneinander reguliert werden können, d. h. die Energiespeicherkapazität wird durch die Größe des Flüssigkeitsspeichertanks und die Leistung durch die Größe der Batteriereaktionskammer bestimmt . Darüber hinaus wird die Ausnutzung der positiven und negativen Elektrodenmaterialien im Vergleich zu herkömmlichen Batterien verbessert und der Elektrolyt in der Elektrodensuspension lässt sich leicht austauschen oder nachfüllen. Durch die Optimierung der Zusammensetzung der Elektrodensuspension und der Zellstruktur kann die elektrochemische Leistung der Batterie weiter verbessert und ihre Gesamtkosten gesenkt werden.

Dieses Design vereint die Eigenschaften von Festkörper- und Flüssigbatterien und weist die folgenden wesentlichen Merkmale auf:
(1) Sicherheit: Halbfeste Batterien sind im Vergleich zu herkömmlichen Flüssigbatterien sicherer. Da der Elektrolytteil fest ist, kann er nicht leicht auslaufen, wodurch die Gefahr einer Batterieexplosion verringert wird. Schließen Sie die Gefahr herkömmlicher Lithiumbatterien in den folgenden Situationen aus: ① Bei Arbeiten unter hohem Strom können Lithiumdendriten auftreten, die die Membran durchstoßen und zu Kurzschlussschäden führen können. ② Der Elektrolyt ist eine organische Flüssigkeit und die Tendenz zu Nebenreaktionen, oxidativer Zersetzung, Gasbildung und Verbrennung wird bei hohen Temperaturen verstärkt.
(2) Hohe Energiedichte: Halbfeste Batterien können eine höhere Energiedichte erreichen, was bedeutet, dass sie bei gleichem Volumen und Gewicht mehr Energie speichern und eine längere Nutzungsdauer bieten können.
(3) Schnelles Laden: Semi-Solid-State-Zellen überwinden das Problem des langsamen Ladens herkömmlicher Solid-State-Batterien durch eine bessere Ladeleistung und ermöglichen ein schnelleres Laden der Batterie.
(4) Umweltfreundlich: Im Vergleich zu herkömmlichen Batterien sind die in halbfesten Batterien verwendeten Materialien umweltfreundlicher und verringern die negativen Auswirkungen auf die Umwelt.
Aufgrund der oben genannten Vorteile von halbfesten Batterien besteht eine breite Anwendungsperspektive in den Bereichen Elektrofahrzeuge, tragbare elektronische Geräte und Speicherung erneuerbarer Energien.

Welche Vorteile haben halbfeste Batterien gegenüber herkömmlichen Flüssigbatterien?

Höhere Sicherheit: Im Vergleich zu herkömmlichen Flüssigbatterien verwenden halbfeste Batterien einen gelartigen oder porösen halbfesten Elektrolyten, der das Risiko von Batterielecks und -entzündungen verringert und somit ein höheres Maß an Sicherheit bietet.
Höhere Energiedichte: Im Vergleich zu Festkörperbatterien weist der Elektrolyt in halbfesten Batterien typischerweise eine bessere Ionenleitfähigkeit auf, sodass die Batterie mehr Energie im gleichen Volumen speichern kann, was zu einer höheren Energiedichte führt.
Bessere Schnellladeleistung: Halbfeste Batterien haben eine bessere Ionenleitfähigkeit, was schnellere Ladegeschwindigkeiten unterstützen und Ladezeiten verkürzen kann.
Gute Leistung bei niedrigen Temperaturen: Halbfeste Batterien sind bei niedrigen Temperaturen stabiler als herkömmliche Flüssigbatterien und weisen eine geringere Verschlechterung der Batterieleistung auf.
Umweltfreundlich: Halbfeste Batterien verwenden normalerweise anorganische Materialien oder erneuerbare Ressourcen als Elektrolyt, was die Auswirkungen auf die Umwelt verringert und umweltfreundlicher ist.
Längere Lebensdauer: Da bei halbfesten Batterien kein flüssiger Elektrolyt austritt, kommt es zu weniger Korrosion und Ablagerungen im Inneren der Batterie, was zu einer besseren Lebensdauer führt.
Insgesamt haben Halbfestbatterien im Hinblick auf Sicherheit, Energiedichte, Ladeleistung, Tieftemperaturleistung, Umweltfreundlichkeit und Zyklenlebensdauer gewisse Vorteile gegenüber herkömmlichen Flüssigbatterien und Festkörperbatterien.

Wie funktioniert eine halbfeste Batterie?

Wanderung von Ionen in Fest-Flüssig-Elektrolytmischungen beim Laden und Entladen, die zur Energiespeicherung und -abgabe führen.

Zu den Hauptbestandteilen einer halbfesten Batterie gehören zwei Elektroden (normalerweise positiv und negativ) und ein halbfester Elektrolyt. Die positiven und negativen Elektroden sind durch den halbfesten Elektrolyten getrennt und bilden einen elektrochemischen Reaktionsbereich.
Beim Laden und Entladen gibt die positive Elektrode Elektronen ab, während die negative Elektrode sie aufnimmt. Währenddessen bewegen sich im halbfesten Elektrolyten Ionen zwischen der positiven und der negativen Elektrode. Speziell:
Ladevorgang:
Während des Ladevorgangs versorgt eine externe Stromquelle die Batterie mit Strom, was dazu führt, dass Metallionen im positiven Elektrodenmaterial (z. B. Lithiumionen) beginnen, sich zu lösen und Elektronen freizusetzen. Diese Elektronen fließen über den externen Stromkreis zurück zur negativen Elektrode und schließen so den Ladevorgang der Batterie ab. Gleichzeitig werden die Metallionen im positiven Elektrodenmaterial im halbfesten Elektrolyten zur negativen Elektrode transportiert und in der negativen Elektrode eingebettet, wodurch der Ionentransport in der Batterie abgeschlossen wird.

Entladevorgang:
Während der Entladung verbindet ein externer Stromkreis die Last und Elektronen fließen von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode, um die Last mit Energie zu versorgen. Gleichzeitig beginnen sich Metallionen im Material der negativen Elektrode zu lösen und werden im halbfesten Elektrolyten zur positiven Elektrode transportiert. An der positiven Elektrode werden diese Metallionen in das positive Material eingebettet und schließen den Entladevorgang in der Batterie ab.
Während des gesamten Lade- und Entladevorgangs übernimmt der halbfeste Elektrolyt die Rolle der Ionenleitung, die einen effektiven Ionentransfer zwischen der positiven und negativen Elektrode ermöglicht und so die Lade- und Entladereaktionen der Batterie abschließt.

Diagramm zum Funktionsprinzip einer halbfesten Flüssigkeitsbatterie

In welchen Bereichen haben Semi-Solid-State-Batterien vielversprechende Anwendungen?

Elektrische Fahrzeuge: Semi-Solid-State-Batterien haben aufgrund ihrer hohen Energiedichte und Schnellladeleistung das Potenzial, eine wichtige Energiespeicherlösung in Elektrofahrzeugen zu sein. Diese Batterietechnologie kann eine größere Reichweite und kürzere Ladezeiten ermöglichen und so die Popularisierung und Entwicklung von Elektrofahrzeugen fördern.

Tragfähig: Da Smartwatches, Smartbands und andere tragbare Geräte immer beliebter werden, besteht eine wachsende Nachfrage nach kleinen, leichten Batterien mit hoher Energiedichte. Die hohe Energiedichte und Sicherheit von halbfesten Batterien machen sie zu einer idealen Energiequelle für tragbare Geräte.
Mobile Geräte: Mobile Geräte wie Smartphones und Tablets benötigen zuverlässige, leistungsstarke Akkus. Die schnelle Ladeleistung und die lange Lebensdauer von halbfesten Batterien machen sie zu einer attraktiven Energieoption für mobile Geräte.
Energiespeichersysteme: Die hohe Energiedichte und Zuverlässigkeit von Halbfestkörperbatterien machen sie zu einer potenziellen Wahl für private und industrielle Energiespeichersysteme. Diese Systeme können verwendet werden, um Energieangebot und -nachfrage auszugleichen und erneuerbare Energiequellen wie Sonne und Wind zu speichern.
Luft- und Raumfahrt: Im Luft- und Raumfahrtsektor sind das geringe Gewicht und die hohe Leistung von Batterien entscheidend für die Leistung von Flugzeugen und Satelliten. Halbfestkörperbatterien bieten den Vorteil einer höheren Energiedichte und einer besseren Sicherheitsleistung und haben daher das Potenzial für eine breite Anwendung im Luft- und Raumfahrtsektor.
Tragbare medizinische Geräte: Die medizinische Industrie hat einen hohen Bedarf an kleinen, sicheren und zuverlässigen Batterien zur Unterstützung der Verwendung verschiedener tragbarer medizinischer Geräte. Die Eigenschaften von Semi-Solid-State-Batterien bieten ihnen Potenzial für den Einsatz in diesem Bereich.

Tatsächlich gibt es aufgrund seiner folgenden Eigenschaften noch viele weitere Einsatzszenarien: Verbesserte Sicherheit, hohe Temperaturbeständigkeit, hohe Energiedichte, Schnellladefähigkeit
Lange Lebensdauer, Designflexibilität

Die grundlegenden Mängel von Lithiumeisenphosphat

(1) Beim Sinterprozess während der Herstellung von Lithiumeisenphosphat besteht die Möglichkeit, dass Eisenoxid unter einer reduzierenden Hochtemperaturatmosphäre zu monomerem Eisen reduziert wird. Einatomiges Eisen kann einen Mikrokurzschluss der Batterie verursachen, was eine tabuisierte Substanz in der Batterie ist.
(2) Lithiumeisenphosphat weist einige Leistungsmängel auf, wie z. B. eine sehr geringe Vibrationsdichte und Verdichtungsdichte, was zu einer geringen Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien führt. Die Leistung bei niedrigen Temperaturen ist schlecht, und selbst die Nanoskalierung und die Kohlenstoffbeschichtung haben dieses Problem nicht gelöst.
(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) Schlechte Produktkonsistenz. Aus Sicht der Materialvorbereitung ist die Synthesereaktion von Lithiumeisenphosphat eine komplexe Mehrphasenreaktion mit Festphasenphosphaten, Eisenoxiden und Lithiumsalzen sowie Kohlenstoffvorläufern und einer reduzierenden Gasphase. Bei diesem komplexen Reaktionsprozess ist es schwierig, die Konsistenz der Reaktion sicherzustellen.