La batería de estado semisólido es una nueva tecnología de almacenamiento de energía electroquímica, su suspensión de electrodos se compone principalmente de materiales activos, aditivos conductores y electrolitos. Las suspensiones de electrodos positivo y negativo de la batería están instaladas en dos tanques de almacenamiento de líquido, y la bomba de suministro de líquido se utiliza para hacer circular la suspensión entre el reactor de la batería y el tanque de almacenamiento de líquido externo. Dentro del reactor de batería, las suspensiones positiva y negativa están separadas por un diafragma iónico. Al cargar, los iones dentro de la batería se mueven del terminal positivo al negativo, y los electrones se mueven del terminal positivo al negativo a través del circuito externo; mientras que al descargarse, los iones y electrones se mueven en sentido contrario a la carga.

Ventajas de las celdas de batería de estado semisólido

La ventaja de las baterías semisólidas es que la capacidad de almacenamiento de energía y la potencia se pueden regular de forma independiente, es decir, la capacidad de almacenamiento de energía está determinada por el tamaño del tanque de almacenamiento de líquido y la potencia está determinada por el tamaño de la cámara de reacción de la batería. . Además, la utilización de los materiales de los electrodos positivos y negativos mejora en comparación con las baterías convencionales, y el electrolito en la suspensión del electrodo es fácil de reemplazar o reponer. Al optimizar la composición de la suspensión de electrodos y la estructura de la celda, se puede mejorar aún más el rendimiento electroquímico de la batería y reducir su costo general.

Este diseño combina las características de las baterías de estado sólido y líquidas y tiene las siguientes características importantes:
(1) Seguridad: Las baterías semisólidas son más seguras en comparación con las baterías líquidas tradicionales. Dado que la parte del electrolito es sólida, no es fácil que haya fugas, lo que reduce el riesgo de explosión de la batería. Descarte el peligro de las baterías de litio tradicionales en las siguientes situaciones: ① trabajo bajo alta corriente, pueden ocurrir dendritas de litio, que pueden perforar el diafragma y provocar daños por cortocircuito. ② El electrolito es un líquido orgánico y la tendencia a reacciones secundarias, descomposición oxidativa, generación de gas y combustión se intensificará a altas temperaturas.
(2) Alta densidad de energía: las baterías semisólidas pueden alcanzar una mayor densidad de energía, lo que significa que pueden almacenar más energía en el mismo volumen y peso, y proporcionar un tiempo de uso más prolongado.
(3) Carga rápida: las celdas de estado semisólido superan el problema de la carga lenta de las baterías de estado sólido tradicionales con un mejor rendimiento de carga, lo que permite una carga más rápida de la batería.
(4) Respetuoso con el medio ambiente: en comparación con las baterías tradicionales, los materiales utilizados en las baterías semisólidas son más ecológicos y reducen el impacto negativo sobre el medio ambiente.
Debido a las ventajas anteriores de las baterías semisólidas, tienen una amplia perspectiva de aplicación en los campos de los vehículos eléctricos, los dispositivos electrónicos portátiles y el almacenamiento de energía renovable.

¿Cuáles son las ventajas de las baterías semisólidas frente a las baterías líquidas tradicionales?

Mayor seguridad: en comparación con las baterías líquidas tradicionales, las baterías semisólidas utilizan un electrolito semisólido similar a un gel o poroso, lo que reduce el riesgo de fugas y combustión de la batería y, por lo tanto, proporciona un mayor nivel de seguridad.
Mayor densidad de energía: en comparación con las baterías de estado sólido, el electrolito de las baterías semisólidas suele tener una mejor conductividad iónica, lo que permite que la batería almacene más energía en el mismo volumen, lo que aumenta la densidad de energía.
Mejor rendimiento de carga rápida: las baterías semisólidas tienen una mejor conductividad iónica, lo que puede soportar velocidades de carga más rápidas y acortar los tiempos de carga.
Buen rendimiento a bajas temperaturas: las baterías semisólidas son más estables a bajas temperaturas que las baterías líquidas tradicionales, con una menor degradación del rendimiento de la batería.
Respetuoso con el medio ambiente: Las baterías semisólidas suelen utilizar materiales inorgánicos o recursos renovables como electrolito, lo que reduce el impacto sobre el medio ambiente y es más respetuoso con el medio ambiente.
Mejor ciclo de vida: dado que las baterías semisólidas evitan el flujo de electrolito líquido, hay menos corrosión y acumulación dentro de la batería, lo que resulta en un mejor ciclo de vida.
En general, las baterías semisólidas tienen ciertas ventajas sobre las baterías líquidas tradicionales y las baterías de estado sólido en términos de seguridad, densidad de energía, rendimiento de carga, rendimiento a baja temperatura, respeto al medio ambiente y ciclo de vida.

¿Cómo funciona una batería semisólida?

Migración de iones en mezclas de electrolitos sólido-líquido durante la carga y descarga, lo que conduce al almacenamiento y liberación de energía.

Los componentes principales de una batería semisólida incluyen dos electrodos (generalmente positivo y negativo) y un electrolito semisólido. Los electrodos positivo y negativo están separados por el electrolito semisólido, formando un área de reacción electroquímica.
Durante la carga y descarga, el electrodo positivo libera electrones mientras que el electrodo negativo los absorbe. Mientras tanto, en el electrolito semisólido, los iones se moverán entre los electrodos positivo y negativo. Específicamente:
Proceso de carga:
Durante la carga, una fuente de energía externa suministra corriente a la batería, lo que hace que los iones metálicos en el material del electrodo positivo (por ejemplo, iones de litio) comiencen a desintegrarse y liberar electrones. Estos electrones regresan al electrodo negativo a través del circuito externo, completando el proceso de carga de la batería. Al mismo tiempo, los iones metálicos del material del electrodo positivo se transportan al electrodo negativo del electrolito semisólido y se incrustan en el electrodo negativo, completando el transporte de iones en la batería.

Proceso de alta:
Durante la descarga, un circuito externo conecta la carga y los electrones fluyen desde el electrodo negativo al electrodo positivo para proporcionar energía a la carga. Al mismo tiempo, los iones metálicos del material del electrodo negativo comienzan a desintegrarse y son transportados al electrodo positivo en el electrolito semisólido. En el electrodo positivo, estos iones metálicos se incrustan en el material positivo, completando el proceso de descarga en la batería.
Durante todo el proceso de carga y descarga, el electrolito semisólido desempeña el papel de conducción iónica, lo que permite una transferencia eficaz de iones entre los electrodos positivo y negativo, completando así las reacciones de carga y descarga de la batería.

Diagrama de principio de funcionamiento de la batería de flujo de líquido semisólido

¿En qué áreas las baterías de estado semisólido tienen aplicaciones prometedoras?

Vehículos eléctricos: Las baterías de estado semisólido tienen el potencial de ser una importante solución de almacenamiento de energía en vehículos eléctricos debido a su alta densidad de energía y su rápido rendimiento de carga. Esta tecnología de batería puede proporcionar una mayor autonomía y un tiempo de carga más corto, promoviendo así la popularización y el desarrollo de los vehículos eléctricos.

Usables: A medida que los relojes inteligentes, las pulseras inteligentes y otros dispositivos portátiles se vuelven más populares, existe una demanda creciente de baterías pequeñas, livianas y de alta densidad de energía. La alta densidad de energía y la seguridad de las baterías de estado semisólido las convierten en una fuente de energía ideal para dispositivos portátiles.
Dispositivos móviles: Los dispositivos móviles como teléfonos inteligentes y tabletas requieren baterías confiables y de alto rendimiento. El rendimiento de carga rápida y el largo ciclo de vida de las baterías de estado semisólido las convierten en una opción de energía atractiva para dispositivos móviles.
Sistemas de almacenamiento de energía: La alta densidad de energía y la confiabilidad de las baterías de estado semisólido las convierten en una opción potencial para sistemas de almacenamiento de energía domésticos e industriales. Estos sistemas se pueden utilizar para equilibrar la oferta y la demanda de energía, almacenando fuentes de energía renovables como la solar y la eólica.
Aeroespacial: En el sector aeroespacial, el peso ligero y el alto rendimiento de las baterías son fundamentales para el rendimiento de las aeronaves y los satélites. Las baterías de estado semisólido tienen la ventaja de proporcionar una mayor densidad de energía y un mejor rendimiento de seguridad y, por lo tanto, tienen el potencial de usarse ampliamente en el sector aeroespacial.
Dispositivos médicos portátiles: La industria médica tiene una gran demanda de baterías pequeñas, seguras y confiables para respaldar el uso de diversos dispositivos médicos portátiles. Las características de las baterías de estado semisólido les confieren potencial para su aplicación en este ámbito.

De hecho, hay muchos más escenarios en los que se puede utilizar debido a sus siguientes características: seguridad mejorada, resistencia a altas temperaturas, alta densidad de energía, capacidad de carga rápida.
Ciclo de vida prolongado, flexibilidad de diseño

Los defectos fundamentales del fosfato de hierro y litio.

(1) En el proceso de sinterización durante la preparación de fosfato de hierro y litio, existe la posibilidad de que el óxido de hierro se reduzca a hierro monomérico bajo una atmósfera reductora de alta temperatura. El hierro monoatómico puede provocar un microcortocircuito en la batería, que es una sustancia tabú en la batería.
(2) El fosfato de hierro y litio tiene algunos defectos de rendimiento, como una densidad de vibración y una densidad de compactación muy bajas, lo que da como resultado una baja densidad de energía de las baterías de iones de litio. El rendimiento a baja temperatura es pobre, e incluso su nanodimensionamiento y recubrimiento de carbono no han resuelto este problema.
(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) Mala consistencia del producto. Desde el punto de vista de la preparación del material, la reacción de síntesis del fosfato de litio y hierro es una reacción compleja de múltiples fases, con fosfatos en fase sólida, óxidos de hierro y sales de litio, además de precursores de carbono y fase gaseosa reductora. En este complejo proceso de reacción, es difícil garantizar la consistencia de la reacción.