La batterie semi-solide est une nouvelle technologie de stockage d'énergie électrochimique, sa suspension d'électrode se compose principalement de matériaux actifs, d'additifs conducteurs et d'électrolyte. Les suspensions d'électrodes positives et négatives de la batterie sont installées dans deux réservoirs de stockage de liquide, et la pompe de distribution de liquide est utilisée pour faire circuler la suspension entre le réacteur de batterie et le réservoir de stockage de liquide externe. À l’intérieur du réacteur batterie, les suspensions positives et négatives sont séparées par un diaphragme ionique. Lors de la charge, les ions à l'intérieur de la batterie se déplacent du positif au terminal négatif et les électrons se déplacent du positif au négatif via le circuit externe ; tandis que lors de la décharge, les ions et les électrons se déplacent dans la direction opposée à la charge.

Avantages des cellules de batterie semi-solides

L'avantage des batteries semi-solides est que la capacité de stockage d'énergie et la puissance peuvent être régulées indépendamment, c'est-à-dire que la capacité de stockage d'énergie est déterminée par la taille du réservoir de stockage de liquide et la puissance est déterminée par la taille de la chambre de réaction de la batterie. . De plus, l'utilisation des matériaux d'électrode positive et négative est améliorée par rapport aux batteries conventionnelles, et l'électrolyte présent dans la suspension d'électrode est facile à remplacer ou à reconstituer. En optimisant la composition de la suspension d'électrode et la structure cellulaire, les performances électrochimiques de la batterie peuvent être encore améliorées et son coût global peut être réduit.

Cette conception combine les caractéristiques des batteries à semi-conducteurs et liquides et présente les caractéristiques importantes suivantes :
(1) Sécurité : les batteries semi-solides sont plus sûres que les batteries liquides traditionnelles. La partie électrolyte étant solide, il n'est pas facile de fuir, ce qui réduit le risque d'explosion de la batterie. Éliminez le danger des batteries au lithium traditionnelles dans les situations suivantes : ① un travail sous des dendrites de lithium à courant élevé peut se produire, ce qui peut percer le diaphragme et entraîner des dommages par court-circuit. ② L'électrolyte est un liquide organique et la tendance aux réactions secondaires, à la décomposition oxydative, à la génération de gaz et à la combustion sera intensifiée à des températures élevées.
(2) Haute densité énergétique : les batteries semi-solides peuvent atteindre une densité énergétique plus élevée, ce qui signifie qu'elles peuvent stocker plus d'énergie dans le même volume et le même poids, et offrir une durée d'utilisation plus longue.
(3) Charge rapide : les cellules semi-solides surmontent le problème de charge lente des batteries à semi-conducteurs traditionnelles avec de meilleures performances de charge, permettant une charge plus rapide de la batterie.
(4) Respectueux de l'environnement : par rapport aux batteries traditionnelles, les matériaux utilisés dans les batteries semi-solides sont plus respectueux de l'environnement, réduisant ainsi l'impact négatif sur l'environnement.
En raison des avantages ci-dessus des batteries semi-solides, elles ont de larges perspectives d'application dans les domaines des véhicules électriques, des appareils électroniques portables et du stockage d'énergie renouvelable.

Quels sont les avantages des batteries semi-solides par rapport aux batteries liquides traditionnelles ?

Sécurité accrue : par rapport aux batteries liquides traditionnelles, les batteries semi-solides utilisent un électrolyte semi-solide semblable à un gel ou poreux, ce qui réduit le risque de fuite et de combustion de la batterie et offre donc un niveau de sécurité plus élevé.
Densité énergétique plus élevée : par rapport aux batteries à semi-conducteurs, l'électrolyte des batteries semi-solides a généralement une meilleure conductivité ionique, permettant à la batterie de stocker plus d'énergie dans le même volume, augmentant ainsi la densité énergétique.
Meilleures performances de charge rapide : les batteries semi-solides ont une meilleure conductivité ionique, ce qui peut prendre en charge des vitesses de charge plus rapides et raccourcir les temps de charge.
Bonnes performances à basse température : les batteries semi-solides sont plus stables à basses températures que les batteries liquides traditionnelles, avec moins de dégradation des performances de la batterie.
Respectueux de l'environnement : les batteries semi-solides utilisent généralement des matériaux inorganiques ou des ressources renouvelables comme électrolyte, ce qui réduit l'impact sur l'environnement et est plus respectueux de l'environnement.
Meilleure durée de vie : étant donné que les batteries semi-solides évitent le flux d'électrolyte liquide, il y a moins de corrosion et d'accumulation à l'intérieur de la batterie, ce qui entraîne une meilleure durée de vie.
Dans l'ensemble, les batteries semi-solides présentent certains avantages par rapport aux batteries liquides traditionnelles et aux batteries à semi-conducteurs en termes de sécurité, de densité énergétique, de performances de charge, de performances à basse température, de respect de l'environnement et de durée de vie.

Comment fonctionne une batterie semi-solide ?

Migration d'ions dans des mélanges d'électrolytes solide-liquide pendant la charge et la décharge, conduisant au stockage et à la libération d'énergie.

Les principaux composants d'une batterie semi-solide comprennent deux électrodes (généralement positives et négatives) et un électrolyte semi-solide. Les électrodes positives et négatives sont séparées par l'électrolyte semi-solide, formant une zone de réaction électrochimique.
Pendant la charge et la décharge, l’électrode positive libère des électrons tandis que l’électrode négative les absorbe. Pendant ce temps, dans l’électrolyte semi-solide, les ions se déplaceront entre les électrodes positives et négatives. Spécifiquement:
Processus de chargement :
Pendant la charge, une source d'alimentation externe fournit du courant à la batterie, ce qui amène les ions métalliques présents dans le matériau de l'électrode positive (par exemple, les ions lithium) à commencer à se désintégrer et à libérer des électrons. Ces électrons retournent vers l’électrode négative via le circuit externe, complétant ainsi le processus de charge de la batterie. Dans le même temps, les ions métalliques contenus dans le matériau de l'électrode positive sont transportés vers l'électrode négative dans l'électrolyte semi-solide et intégrés dans l'électrode négative, complétant ainsi le transport des ions dans la batterie.

Processus de décharge :
Pendant la décharge, un circuit externe connecte la charge et les électrons circulent de l'électrode négative à l'électrode positive pour fournir de l'énergie à la charge. Dans le même temps, les ions métalliques présents dans le matériau de l’électrode négative commencent à se désincruster et sont transportés vers l’électrode positive dans l’électrolyte semi-solide. Au niveau de l'électrode positive, ces ions métalliques sont intégrés dans le matériau positif, complétant ainsi le processus de décharge dans la batterie.
Tout au long du processus de charge et de décharge, l'électrolyte semi-solide joue le rôle de conduction ionique, ce qui permet un transfert d'ions efficace entre les électrodes positives et négatives, complétant ainsi les réactions de charge et de décharge de la batterie.

Schéma du principe de fonctionnement de la batterie à flux liquide semi-solide

Dans quels domaines les batteries semi-solides ont-elles des applications prometteuses ?

Véhicules électriques: Les batteries semi-solides ont le potentiel de devenir une solution importante de stockage d'énergie dans les véhicules électriques en raison de leur densité énergétique élevée et de leurs performances de charge rapide. Cette technologie de batterie peut offrir une autonomie plus longue et un temps de charge plus court, favorisant ainsi la vulgarisation et le développement des véhicules électriques.

Appareils portables: À mesure que les montres intelligentes, les bracelets intelligents et autres appareils portables deviennent de plus en plus populaires, il existe une demande croissante de batteries petites, légères et à haute densité énergétique. La haute densité énergétique et la sécurité des batteries semi-solides en font une source d’énergie idéale pour les appareils portables.
Appareils mobiles : les appareils mobiles tels que les smartphones et les tablettes nécessitent des batteries fiables et performantes. Les performances de charge rapide et la longue durée de vie des batteries semi-solides en font une option d’alimentation intéressante pour les appareils mobiles.
Systèmes de stockage d'énergie: La haute densité énergétique et la fiabilité des batteries semi-solides en font un choix potentiel pour les systèmes de stockage d'énergie domestiques et industriels. Ces systèmes peuvent être utilisés pour équilibrer l’offre et la demande d’énergie, en stockant des sources d’énergie renouvelables telles que l’énergie solaire et éolienne.
Aérospatiale : Dans le secteur aérospatial, la légèreté et les hautes performances des batteries sont essentielles aux performances des avions et des satellites. Les batteries semi-solides ont l’avantage d’offrir une densité énergétique plus élevée et de meilleures performances en matière de sécurité, et ont donc le potentiel d’être largement utilisées dans le secteur aérospatial.
Dispositifs médicaux portables: L'industrie médicale a une forte demande de batteries petites, sûres et fiables pour prendre en charge l'utilisation de divers dispositifs médicaux portables. Les caractéristiques des batteries semi-solides leur confèrent un potentiel d’application dans ce domaine.

En fait, il existe de nombreux autres scénarios dans lesquels il peut être utilisé en raison de ses caractéristiques suivantes : sécurité améliorée, résistance aux températures élevées, densité d'énergie élevée, capacité de charge rapide.
Longue durée de vie, flexibilité de conception

Les défauts fondamentaux du phosphate de fer lithium

(1) Lors du processus de frittage lors de la préparation du phosphate de fer et de lithium, il existe une possibilité que l'oxyde de fer soit réduit en fer monomère sous une atmosphère réductrice à haute température. Le fer monoatomique peut provoquer un micro-court-circuit de la batterie, qui est une substance taboue dans la batterie.
(2) Le phosphate de fer et de lithium présente certains défauts de performance, tels qu'une très faible densité de vibration et une très faible densité de compactage, ce qui entraîne une faible densité énergétique des batteries lithium-ion. Les performances à basse température sont médiocres, et même son nanodimensionnement et son revêtement en carbone n'ont pas résolu ce problème.
(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) Mauvaise consistance du produit. Du point de vue de la préparation du matériau, la réaction de synthèse du phosphate de fer et de lithium est une réaction multiphasique complexe, avec des phosphates en phase solide, des oxydes de fer et des sels de lithium, ainsi que des précurseurs de carbone et une phase gazeuse réductrice. Dans ce processus réactionnel complexe, il est difficile de garantir la cohérence de la réaction.