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batterie semi-solide vs batterie lithium-ion

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batterie semi-solide vs batterie lithium-ion

Une batterie fait référence à un espace dans une tasse, une auge ou un autre récipient ou récipient composite contenant une solution électrolytique et des électrodes métalliques pour produire de l'électricité. C'est un appareil qui convertit l'énergie chimique en énergie électrique. Il possède des pôles positifs et négatifs. Avec les progrès de la technologie, le terme « batterie » fait désormais généralement référence à de petits appareils capables de générer de l’énergie électrique, comme les cellules solaires. Les paramètres de performance d'une batterie comprennent principalement la force électromotrice, la capacité, l'énergie spécifique et la résistance. En utilisant une batterie comme source d'énergie, on peut obtenir une tension stable, un courant stable, une alimentation stable à long terme, un courant peu affecté par des facteurs externes et une structure simple et facile à transporter. Les opérations de chargement et de déchargement sont pratiques et simples. Les batteries ne sont pas influencées par les conditions météorologiques et les températures extérieures, et elles présentent des performances stables et fiables, jouant un rôle important dans divers aspects de la vie sociale moderne.

Il existe plusieurs types courants de batteries, notamment :

  1. Pile sèche : Les piles sèches appartiennent à la catégorie principale des piles dans les sources d'énergie chimiques et sont des piles jetables. On les appelle piles sèches car l'électrolyte de ce type de source d'énergie chimique est une pâte non fluide, contrairement aux batteries à électrolytes fluides. Les piles sèches conviennent à diverses applications, notamment les lampes de poche, les radios à semi-conducteurs, les enregistreurs, les appareils photo, les horloges électroniques, les jouets, ainsi que dans la défense nationale, la recherche scientifique, les télécommunications, la navigation, l'aviation, la médecine et d'autres secteurs de l'économie nationale.

Les batteries au plomb, s'appuyant sur leurs fortes performances de décharge à courant élevé, leurs caractéristiques de tension stables, leur applicabilité sur une large plage de température, leur grande capacité de batterie individuelle, leur sécurité élevée, leurs matières premières abondantes et recyclables et leur faible coût, occupent une position ferme dans la majorité des domaines d'application traditionnels et émergents. Il y a une tension de 2 volts entre les pôles positif et négatif de la batterie au plomb. L’un des avantages des accumulateurs est qu’ils peuvent être utilisés plusieurs fois de manière répétée. De plus, en raison de leur résistance interne extrêmement faible, ils peuvent fournir un courant important. Lorsqu’elles alimentent le moteur d’une voiture, les batteries au plomb peuvent fournir des courants instantanés de plus de 20 ampères. Pendant la charge, la batterie stocke l’énergie électrique et pendant la décharge, elle convertit l’énergie chimique en énergie électrique. Les batteries au plomb sont largement utilisées dans les automobiles, les trains, les tracteurs, les motos, les véhicules électriques, ainsi que dans les communications, les centrales électriques, la transmission de puissance, l'instrumentation, les alimentations UPS et dans les domaines des avions, des chars, des navires et des systèmes radar. , et plus

Une batterie au lithium est un type de batterie dont le lithium est l’électrode négative. Il s’agit d’une nouvelle batterie à haute énergie développée après les années 1960. Il est classé en fonction de l'électrolyte utilisé :

  1. Batterie au lithium au sel fondu à haute température.
  2. Batterie au lithium à électrolyte organique.
  3. Batterie au lithium à électrolyte inorganique non aqueux.
  4. Batterie au lithium à électrolyte solide.
  5. Batterie lithium-eau.

Les avantages des batteries au lithium comprennent une tension de cellule individuelle élevée, une énergie spécifique importante, une longue durée de stockage (jusqu'à 10 ans), de bonnes performances à hautes et basses températures (utilisables dans la plage de -40 à 150°C). Cependant, les inconvénients incluent un coût élevé et une sécurité relativement moindre. De plus, des problèmes tels que le décalage de tension et les problèmes de sécurité doivent encore être améliorés. Le développement important des batteries de puissance et l’émergence de nouveaux matériaux d’électrodes positives, notamment l’avancement des matériaux lithium fer phosphate, ont grandement contribué au progrès des batteries au lithium.

Batteries lithium-ion: Les batteries lithium-ion, communément appelées batteries au lithium, sont utilisées dans les smartphones et les ordinateurs portables. Ces batteries utilisent généralement des matériaux contenant des éléments au lithium comme électrodes et représentent des batteries modernes hautes performances. Développées initialement par Sony en 1990, les batteries lithium-ion utilisent des électrolytes organiques liquides non aqueux. Il est important de noter qu’elles peuvent facilement être confondues avec deux autres types de batteries :

  1. Piles au lithium, avec du lithium métallique comme électrode négative.
  2. Batteries lithium-ion polymère, qui utilisent des polymères pour gélatiniser des solvants organiques liquides ou utilisent directement des électrolytes entièrement solides. Les batteries lithium-ion utilisent généralement des matériaux carbonés de type graphite comme électrode négative.

Piles semi-solides : Avant de se lancer dans les batteries semi-solides, il est nécessaire de comprendre ce que sont les batteries semi-solides. Les batteries à semi-conducteurs utilisent des électrodes solides et des électrolytes solides. Les batteries traditionnelles au lithium liquide, souvent appelées métaphoriquement « batteries de fauteuil à bascule », ont des pôles positifs et négatifs aux extrémités du fauteuil à bascule, avec un électrolyte liquide au milieu. Les ions lithium, agissant comme des athlètes expérimentés, font la navette entre les pôles positifs et négatifs, complétant ainsi le processus de charge et de décharge de la batterie. Le principe des batteries à semi-conducteurs est similaire, mais leur électrolyte est solide. Cette densité et cette structure permettent à davantage d'ions chargés de se rassembler d'un côté, facilitant ainsi une conduction de courant plus importante et améliorant ainsi la capacité de la batterie. Par conséquent, les batteries à semi-conducteurs peuvent être plus petites pour la même quantité d’énergie. De plus, comme il n'y a pas d'électrolyte liquide, l'étanchéité devient plus facile, éliminant le besoin de tuyaux de refroidissement supplémentaires et de commandes électroniques dans les gros appareils tels que les voitures, réduisant ainsi les coûts et le poids.

Même si le concept des batteries à semi-conducteurs n’est pas nouveau, les progrès en matière de développement n’ont pas été aussi rapides qu’on l’avait initialement envisagé. La transition de l’expérimentation en laboratoire à la production de masse prendra encore beaucoup de temps, même si des réductions de coûts peuvent être réalisées. Comme pour les batteries au lithium liquide dans les années 1970, la conceptualisation et la vérification expérimentale ont progressé simultanément, mais leur utilisation généralisée n’a eu lieu qu’à la fin du XXe siècle.

Dans cette phase de transition entre les batteries au lithium liquide et les batteries à l’état solide, les batteries semi-solides ont vu le jour. Les batteries semi-solides ont une électrode d’un côté qui ne contient pas d’électrolyte liquide, tandis que l’autre côté contient de l’électrolyte liquide. La proportion de masse ou de volume d'électrolyte solide dans une seule cellule est la moitié de la masse totale d'électrolyte ou du volume total. Grâce à leur électrolyte partiellement solide, les batteries semi-solides offrent une sécurité plus élevée que les batteries au lithium liquide traditionnelles. Ils sont moins sujets aux explosions, même lorsqu'ils sont percés. Ces batteries utilisent des matériaux à haute densité énergétique, offrant une densité énergétique accrue et une durée de vie de plus de 2 000 cycles. De plus, la réduction de l’électrolyte dans les batteries semi-solides réduit efficacement leur poids. En termes de structure de batterie, les batteries semi-solides utilisent généralement un format de pochette flexible avec un film aluminium-plastique remplaçant les composants de la coque en aluminium ou en acier. La marque chinoise de véhicules électriques « NIO » utilise des batteries semi-solides dans ses véhicules.

Vous trouverez ci-dessous l'expérience de démontage et de piqûre d'aiguille que nous avons réalisée sur les cellules de batterie semi-solides utilisées dans nos produits.

Batteries lithium-ion: Les batteries lithium-ion intègrent des ions lithium dans du carbone (coke de pétrole et graphite) pour former l'électrode négative (les batteries au lithium traditionnelles utilisent du lithium ou des alliages de lithium comme électrode négative). Les matériaux d'électrode positive courants comprennent le LixCoO2, le LixNiO2 et le LixMnO4. L'électrolyte est constitué de LiPF6 + carbonate d'éthylène (EC) + carbonate de diméthyle (DMC). Le coke de pétrole et le graphite, utilisés comme matériaux d'électrode négative, sont des ressources non toxiques et abondantes. L’intégration d’ions lithium dans le carbone permet de surmonter la haute réactivité du lithium, résolvant ainsi les problèmes de sécurité des batteries au lithium traditionnelles. L'électrode positive LixCoO2 atteint des niveaux élevés de performances et de durée de vie en charge et décharge, réduisant ainsi les coûts. La réaction pendant la charge et la décharge des batteries secondaires lithium-ion est la suivante :

Piles semi-solides : Les batteries semi-solides sont constituées de substances colorées capables de servir d'électrodes positives, telles que le silicate de sodium (Na2Si2O5), le métasilicate de sodium (Na2SiO3) ou le dioxyde de silicium (SiO2), et de substances colorées servant d'électrodes négatives, telles que le dioxyde de titane. (TiO2), titanate de sodium (Na2TiO3) ou sous-oxyde de titane (Ti4O7). Les matériaux d’électrodes positives peuvent absorber et stocker les ions lithium, tandis que les matériaux d’électrodes négatives peuvent libérer des ions lithium. De plus, certaines matières premières peuvent être utilisées dans la batterie pour améliorer les performances des matériaux d'électrode solides, telles que l'amine (éthylamine, H3CNH2), le bicarbonate d'ammonium (NH4HCO3), la résine fluorée (résine fluorée), le phosphate de diméthyle (phosphate de diméthyle) et carboxylates. Le processus de réaction de l'électrode positive dans les batteries semi-solides est complexe et le résultat électronique provient principalement des réactions se produisant dans l'électrode positive, la vitesse de réaction dépendant des concentrations de réactifs et des taux de transfert d'électrons.

Comparaison des performances :

Batteries lithium-ion:

  1. Haute tension: La tension d'une seule cellule atteint 3,7-3,8 V, soit trois fois celle des batteries Ni-Cd et Ni-MH.
  2. Longue durée de vie : Dépassant généralement 500 cycles, dépassant même 1000 cycles ; Le fer phosphorique et le lithium peuvent atteindre jusqu'à 8 000 cycles.
  3. Bonnes performances de sécurité : Respectueux de l'environnement et sans effet mémoire. Le Li-ion, précurseur des batteries lithium-ion, élimine le risque de court-circuit dû aux dendrites de lithium, élargissant ainsi sa gamme d'applications.
  4. Faible autodécharge : Taux d'autodécharge d'environ 2 % après un mois à température ambiante, nettement inférieur à celui du Ni-Cd (25-30 %) et du Ni-MH (30-35 %).
  5. Chargement rapide : Une charge 1C pendant 30 minutes peut atteindre plus de 80 % de la capacité nominale, et les batteries au fer phosphorique peuvent atteindre 90 % en 10 minutes.
  6. Température de fonctionnement : La température de fonctionnement varie de -25 à 60 °C, avec la possibilité d'augmenter jusqu'à -40 à 70 °C grâce à des améliorations de l'électrolyte et de l'électrode positive.

Piles semi-solides :

  1. Léger, haute densité énergétique : Les changements dans les systèmes de matériaux applicables, en particulier l'utilisation directe de lithium métallique au lieu du graphite incrusté de lithium comme électrode négative, augmentent considérablement la densité énergétique.
  2. Fin, petit volume : L'élimination des séparateurs et des électrolytes liquides réduit l'épaisseur, ce qui rend la technologie des batteries semi-solides essentielle pour les applications de miniaturisation et de couches minces.
  3. La flexibilité: L’utilisation de matériaux céramiques fragiles dans les batteries semi-solides, lorsqu’ils sont réduits à une épaisseur millimétrique, permet une certaine flexibilité. Des matériaux d'encapsulation appropriés permettent à la batterie de résister à des centaines, voire des milliers de courbures sans dégradation significative des performances.
  4. Sécurité améliorée : Élimine les dangers associés à la formation de dendrites de lithium sous courant élevé et réduit le risque de réactions, d'oxydation, de génération de gaz et de combustion associés aux électrolytes liquides organiques dans les batteries au lithium traditionnelles.

Comparaison entre les batteries liquides et semi-solides : Par rapport aux batteries à l’état liquide, la principale caractéristique des batteries semi-solides est l’introduction d’électrolytes solides, remplaçant la combinaison traditionnelle d’électrolyte liquide et de séparateurs. Les batteries semi-solides utilisent des électrolytes semi-solides, ce qui améliore considérablement la sécurité par rapport aux batteries à l'état liquide. Actuellement, les principaux développeurs chinois de batteries semi-solides comprennent Weilan New Energy, Ganfeng Lithium, Funeng Technology, Guoxuan High-Tech et Qingtao Energy, qui ont tous réussi à industrialiser les batteries semi-solides.

Champ d'application :

Batteries lithium-ion: Ces dernières années, les batteries lithium-ion ont trouvé de nombreuses applications, notamment dans les systèmes de stockage d’énergie dans les centrales hydroélectriques, thermiques, éoliennes et solaires. Ils sont également largement utilisés dans les outils électriques, les vélos électriques, les motos électriques, les véhicules électriques, les équipements spéciaux, l'aérospatiale spéciale et divers autres domaines. Les batteries lithium-ion se développent progressivement dans des domaines tels que les vélos électriques et les véhicules électriques.

Piles semi-solides : Les batteries semi-solides peuvent être utilisées dans les véhicules aériens habités, la pulvérisation agricole, les patrouilles industrielles, la lutte contre les incendies de forêt, la surveillance des travaux de construction, le transport de marchandises, la photographie aérienne, la cartographie, les produits électroniques grand public, le stockage d'énergie portable et les véhicules à énergie nouvelle.

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