La batteria a stato semisolido è una nuova tecnologia di accumulo di energia elettrochimica, la sua sospensione degli elettrodi è costituita principalmente da materiali attivi, additivi conduttivi ed elettrolita. Le sospensioni degli elettrodi positivi e negativi della batteria sono installate in due serbatoi di stoccaggio del liquido e la pompa di erogazione del liquido viene utilizzata per far circolare la sospensione tra il reattore della batteria e il serbatoio di stoccaggio del liquido esterno. All'interno del reattore batteria le sospensioni positive e negative sono separate da un diaframma ionico. Durante la ricarica, gli ioni all'interno della batteria si spostano dal terminale positivo a quello negativo e gli elettroni si spostano dal terminale positivo a quello negativo attraverso il circuito esterno; mentre durante la scarica gli ioni e gli elettroni si muovono in senso contrario alla carica.

Vantaggi delle celle della batteria a stato semi-solido

Il vantaggio delle batterie semisolide è che la capacità di accumulo dell'energia e la potenza possono essere regolate in modo indipendente, ovvero la capacità di accumulo dell'energia è determinata dalla dimensione del serbatoio di stoccaggio del liquido e la potenza è determinata dalla dimensione della camera di reazione della batteria . Inoltre, l'utilizzo dei materiali degli elettrodi positivi e negativi è migliorato rispetto alle batterie convenzionali e l'elettrolita nella sospensione degli elettrodi è facile da sostituire o riempire. Ottimizzando la composizione della sospensione degli elettrodi e della struttura delle celle, le prestazioni elettrochimiche della batteria possono essere ulteriormente migliorate e il suo costo complessivo può essere ridotto.

Questo design combina le caratteristiche delle batterie allo stato solido e liquide e presenta le seguenti caratteristiche significative:
(1) Sicurezza: le batterie semisolide sono più sicure rispetto alle tradizionali batterie liquide. Poiché la parte elettrolitica è solida, non è facile perdere, riducendo il rischio di esplosione della batteria. Escludere il pericolo delle batterie al litio tradizionali nelle seguenti situazioni: ① potrebbero verificarsi lavori con dendriti di litio ad alta corrente, che potrebbero forare il diaframma causando danni da cortocircuito. ② L'elettrolita è un liquido organico e la tendenza delle reazioni collaterali, della decomposizione ossidativa, della generazione di gas e della combustione sarà intensificata alle alte temperature.
(2) Elevata densità di energia: le batterie semisolide possono raggiungere una densità di energia più elevata, il che significa che possono immagazzinare più energia nello stesso volume e peso e fornire un tempo di utilizzo più lungo.
(3) Ricarica rapida: le celle a stato semi-solido superano il problema della ricarica lenta delle tradizionali batterie a stato solido con prestazioni di ricarica migliori, consentendo una ricarica più rapida della batteria.
(4) Rispettoso dell'ambiente: rispetto alle batterie tradizionali, i materiali utilizzati nelle batterie semisolide sono più rispettosi dell'ambiente, riducendo l'impatto negativo sull'ambiente.
Grazie ai vantaggi sopra menzionati, le batterie semisolide hanno un’ampia prospettiva di applicazione nei settori dei veicoli elettrici, dei dispositivi elettronici portatili e dello stoccaggio di energia rinnovabile.

Quali sono i vantaggi delle batterie semisolide rispetto alle tradizionali batterie liquide?

Maggiore sicurezza: rispetto alle tradizionali batterie liquide, le batterie semisolide utilizzano un elettrolita semisolido simile al gel o poroso, che riduce il rischio di perdite e combustione della batteria e quindi fornisce un livello di sicurezza più elevato.
Maggiore densità di energia: rispetto alle batterie allo stato solido, l’elettrolita nelle batterie semisolide ha in genere una migliore conduttività ionica, consentendo alla batteria di immagazzinare più energia nello stesso volume, aumentando la densità di energia.
Migliori prestazioni di ricarica rapida: le batterie semisolide hanno una migliore conduttività ionica, che può supportare velocità di ricarica più elevate e ridurre i tempi di ricarica.
Buone prestazioni a bassa temperatura: le batterie semisolide sono più stabili alle basse temperature rispetto alle tradizionali batterie liquide, con un minore degrado delle prestazioni della batteria.
Ecologico: le batterie semisolide utilizzano solitamente materiali inorganici o risorse rinnovabili come elettrolita, il che riduce l'impatto sull'ambiente ed è più rispettoso dell'ambiente.
Ciclo di vita migliore: poiché le batterie semisolide evitano il flusso di elettrolita liquido, si verificano meno corrosione e accumuli all'interno della batteria, con conseguente ciclo di vita migliore.
Nel complesso, le batterie semisolide presentano alcuni vantaggi rispetto alle tradizionali batterie liquide e alle batterie allo stato solido in termini di sicurezza, densità di energia, prestazioni di carica, prestazioni a bassa temperatura, rispetto dell'ambiente e durata del ciclo.

Come funziona una batteria semisolida?

Migrazione di ioni nelle miscele elettrolitiche solido-liquido durante la carica e la scarica, con conseguente accumulo e rilascio di energia.

I componenti principali di una batteria semisolida includono due elettrodi (solitamente positivo e negativo) e un elettrolita semisolido. Gli elettrodi positivo e negativo sono separati dall'elettrolita semisolido, formando un'area di reazione elettrochimica.
Durante la carica e la scarica, l'elettrodo positivo rilascia elettroni mentre l'elettrodo negativo li assorbe. Nel frattempo, nell’elettrolita semisolido, gli ioni si sposteranno tra gli elettrodi positivo e negativo. Nello specifico:
Processo di ricarica:
Durante la carica, una fonte di alimentazione esterna fornisce corrente alla batteria, che fa sì che gli ioni metallici nel materiale dell'elettrodo positivo (ad esempio, ioni di litio) inizino a staccarsi e a rilasciare elettroni. Questi elettroni ritornano all'elettrodo negativo attraverso il circuito esterno, completando il processo di ricarica della batteria. Allo stesso tempo, gli ioni metallici nel materiale dell'elettrodo positivo vengono trasportati all'elettrodo negativo nell'elettrolita semisolido e incorporati nell'elettrodo negativo, completando il trasporto degli ioni nella batteria.

Processo di scarico:
Durante la scarica, un circuito esterno collega il carico e gli elettroni fluiscono dall'elettrodo negativo all'elettrodo positivo per fornire energia al carico. Allo stesso tempo, gli ioni metallici nel materiale dell'elettrodo negativo iniziano a staccarsi e vengono trasportati all'elettrodo positivo nell'elettrolita semisolido. Sull'elettrodo positivo, questi ioni metallici vengono incorporati nel materiale positivo, completando il processo di scarica nella batteria.
Durante tutto il processo di carica e scarica, l'elettrolita semisolido svolge il ruolo di conduzione ionica, che consente un efficace trasferimento di ioni tra gli elettrodi positivo e negativo, completando così le reazioni di carica e scarica della batteria.

Schema del principio di funzionamento della batteria semisolida a flusso liquido

In quali settori le batterie allo stato semisolido hanno applicazioni promettenti?

Veicoli elettrici: Le batterie allo stato semi-solido hanno il potenziale per essere un'importante soluzione di accumulo di energia nei veicoli elettrici grazie alla loro elevata densità di energia e alle prestazioni di ricarica rapida. Questa tecnologia delle batterie può fornire un’autonomia maggiore e tempi di ricarica più brevi, promuovendo così la divulgazione e lo sviluppo dei veicoli elettrici.

Indossabili: Man mano che smartwatch, cinturini intelligenti e altri dispositivi indossabili diventano più popolari, vi è una crescente domanda di batterie piccole, leggere e ad alta densità di energia. L’elevata densità di energia e la sicurezza delle batterie allo stato semisolido le rendono una fonte di energia ideale per i dispositivi indossabili.
Dispositivi mobili: i dispositivi mobili come smartphone e tablet richiedono batterie affidabili e ad alte prestazioni. Le prestazioni di ricarica rapida e la lunga durata delle batterie allo stato semi-solido le rendono un'opzione di alimentazione interessante per i dispositivi mobili.
Sistemi di accumulo dell'energia: L'elevata densità di energia e l'affidabilità delle batterie allo stato semisolido le rendono una potenziale scelta per i sistemi di accumulo di energia domestici e industriali. Questi sistemi possono essere utilizzati per bilanciare la domanda e l’offerta di energia, immagazzinando fonti di energia rinnovabile come quella solare ed eolica.
Aerospaziale: nel settore aerospaziale, la leggerezza e le elevate prestazioni delle batterie sono fondamentali per le prestazioni di aerei e satelliti. Le batterie allo stato semisolido hanno il vantaggio di fornire una maggiore densità di energia e migliori prestazioni di sicurezza, e quindi hanno il potenziale per essere ampiamente utilizzate nel settore aerospaziale.
Dispositivi Medici Indossabili: L'industria medica ha una forte domanda di batterie piccole, sicure e affidabili per supportare l'uso di vari dispositivi medici indossabili. Le caratteristiche delle batterie allo stato semisolido danno loro un potenziale di applicazione in questo settore.

In effetti, ci sono molti altri scenari in cui può essere utilizzato grazie alle sue seguenti caratteristiche: Sicurezza migliorata, resistenza alle alte temperature, alta densità di energia, capacità di ricarica rapida
Ciclo di vita lungo, flessibilità di progettazione

I difetti fondamentali del fosfato di litio ferro

(1) Nel processo di sinterizzazione durante la preparazione del fosfato di litio e ferro, esiste la possibilità che l'ossido di ferro venga ridotto a ferro monomerico in un'atmosfera riducente ad alta temperatura. Il ferro monoatomico può causare un microcortocircuito della batteria, che è una sostanza tabù nella batteria.
(2) Il fosfato di litio e ferro presenta alcuni difetti prestazionali, come una densità di vibrazione e una densità di compattazione molto basse, con conseguente bassa densità energetica delle batterie agli ioni di litio. Le prestazioni a bassa temperatura sono scarse e persino il nanodimensionamento e il rivestimento in carbonio non hanno risolto questo 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) Scarsa consistenza del prodotto. Dal punto di vista della preparazione del materiale, la reazione di sintesi del litio ferro fosfato è una complessa reazione multifase, con fosfati in fase solida, ossidi di ferro e sali di litio, oltre a precursori di carbonio e fase gassosa riducente. In questo complesso processo di reazione, è difficile garantire la consistenza della reazione.