Een batterij verwijst naar een ruimte in een kopje, trog of andere container of composietcontainer die een elektrolytoplossing en metalen elektroden bevat om elektriciteit op te wekken. Het is een apparaat dat chemische energie omzet in elektrische energie. Het heeft positieve en negatieve polen. Met de vooruitgang van de technologie verwijst de term ‘batterij’ nu over het algemeen naar kleine apparaten die elektrische energie kunnen opwekken, zoals zonnecellen. De prestatieparameters van een batterij omvatten voornamelijk elektromotorische kracht, capaciteit, specifieke energie en weerstand. Door een batterij als energiebron te gebruiken, kan men een stabiele spanning, stabiele stroom, stabiele stroomvoorziening op lange termijn verkrijgen, een stroom die minimaal wordt beïnvloed door externe factoren, en een eenvoudige structuur die gemakkelijk mee te nemen is. Het opladen en ontladen is handig en eenvoudig. Batterijen worden niet beïnvloed door externe weersomstandigheden en temperaturen, vertonen stabiele en betrouwbare prestaties en spelen een belangrijke rol in verschillende aspecten van het moderne sociale leven.
Er zijn verschillende veelvoorkomende typen batterijen, waaronder:
- Droge cellen: Droge cellen behoren tot de primaire batterijcategorie in chemische energiebronnen en zijn wegwerpbatterijen. Ze worden droge cellen genoemd omdat de elektrolyt in dit type chemische krachtbron een niet-vloeibare pasta is, in tegenstelling tot batterijen met vloeibare elektrolyten. Droge cellen zijn geschikt voor verschillende toepassingen, waaronder zaklampen, halfgeleiderradio's, recorders, camera's, elektronische klokken, speelgoed, maar ook in de nationale defensie, wetenschappelijk onderzoek, telecommunicatie, navigatie, luchtvaart, geneeskunde en andere sectoren van de nationale economie.
Loodzuurbatterijen, die vertrouwen op hun sterke ontladingsprestaties bij hoge stroomsterkte, stabiele spanningskarakteristieken, toepasbaarheid in een breed temperatuurbereik, grote individuele batterijcapaciteit, hoge veiligheid, overvloedige en recycleerbare grondstoffen en lage kosten, nemen een stevige positie in in de meerderheid van de traditionele en enkele opkomende toepassingsgebieden. Tussen de positieve en negatieve polen van de loodzuuraccu staat een spanning van 2 volt. Een van de voordelen van accu's is dat ze herhaaldelijk en meerdere keren kunnen worden gebruikt. Bovendien kunnen ze vanwege hun extreem lage interne weerstand een grote stroom leveren. Bij het leveren van stroom aan de motor van een auto kunnen loodzuuraccu’s ogenblikkelijke stromen leveren van meer dan 20 ampère. Tijdens het opladen slaat de batterij elektrische energie op en tijdens het ontladen zet hij chemische energie om in elektrische energie. Loodzuurbatterijen worden op grote schaal toegepast in auto's, treinen, tractoren, motorfietsen en elektrische voertuigen, maar ook in communicatie, krachtcentrales, krachtoverbrenging, instrumentatie, UPS-voedingen en op het gebied van vliegtuigen, tanks, schepen en radarsystemen , en meer
Een lithiumbatterij is een type batterij met lithium als negatieve elektrode. Het is een nieuwe energierijke batterij die na de jaren zestig is ontwikkeld. Het is gecategoriseerd op basis van de gebruikte elektrolyt:
- Lithiumbatterij met gesmolten zout op hoge temperatuur.
- Organische elektrolyt-lithiumbatterij.
- Anorganische niet-waterige lithiumbatterij met elektrolyt.
- Vaste elektrolyt-lithiumbatterij.
- Lithium-waterbatterij.
De voordelen van lithiumbatterijen zijn onder meer een hoge individuele celspanning, een grote specifieke energie, een lange houdbaarheid (tot 10 jaar), goede prestaties bij hoge en lage temperaturen (bruikbaar in het bereik van -40 tot 150 °C). De nadelen zijn echter hoge kosten en relatief lagere veiligheid. Bovendien behoeven zaken als spanningsvertraging en veiligheidsproblemen nog steeds verbetering. De aanzienlijke ontwikkeling van energiebatterijen en de opkomst van nieuwe positieve elektrodematerialen, vooral de vooruitgang van lithiumijzerfosfaatmaterialen, hebben in grote mate bijgedragen aan de vooruitgang van lithiumbatterijen.
Lithium-ion batterijen: Lithium-ionbatterijen, gewoonlijk lithiumbatterijen genoemd, worden gebruikt in smartphones en laptops. Deze batterijen maken doorgaans gebruik van materialen die lithiumelementen als elektroden bevatten en vertegenwoordigen moderne, krachtige batterijen. Lithium-ionbatterijen, oorspronkelijk ontwikkeld door Sony in 1990, gebruiken niet-waterige vloeibare organische elektrolyten. Het is belangrijk op te merken dat ze gemakkelijk kunnen worden verward met twee andere soorten batterijen:
- Lithiumbatterijen, met metallisch lithium als negatieve elektrode.
- Lithium-ion-polymeerbatterijen, die polymeren gebruiken om vloeibare organische oplosmiddelen te gelatineren of rechtstreeks volledig vaste elektrolyten gebruiken. Lithium-ionbatterijen gebruiken over het algemeen grafietachtige koolstofmaterialen als negatieve elektrode.
Semi-solid-state batterijen: Voordat we ons verdiepen in semi-solid-state batterijen, is het noodzakelijk om te begrijpen wat solid-state batterijen zijn. Solid-state batterijen gebruiken vaste elektroden en vaste elektrolyten. Traditionele vloeibare lithiumbatterijen, vaak metaforisch ‘schommelstoelbatterijen’ genoemd, hebben positieve en negatieve polen aan de uiteinden van de schommelstoel, met een vloeibare elektrolyt in het midden. Lithiumionen gedragen zich als ervaren atleten en pendelen heen en weer tussen de positieve en negatieve polen, waardoor het laad- en ontlaadproces van de batterij wordt voltooid. Het principe van solid-state batterijen is vergelijkbaar, maar hun elektrolyt is vast. Deze dichtheid en structuur zorgen ervoor dat meer geladen ionen zich aan één kant kunnen verzamelen, waardoor een grotere stroomgeleiding mogelijk wordt en daardoor de batterijcapaciteit wordt vergroot. Bijgevolg kunnen solid-state batterijen kleiner zijn voor dezelfde hoeveelheid energie. Omdat er geen vloeibare elektrolyt is, wordt de afdichting bovendien eenvoudiger, waardoor de noodzaak voor extra koelleidingen en elektronische bedieningselementen in grote apparaten zoals auto's wordt geëlimineerd, waardoor kosten worden bespaard en het gewicht wordt verminderd.
Hoewel het concept van solid-state batterijen niet nieuw is, is de vooruitgang in de ontwikkeling niet zo snel gegaan als aanvankelijk werd gedacht. De overgang van laboratoriumexperimenten naar massaproductie zal nog steeds een aanzienlijke hoeveelheid tijd in beslag nemen, zelfs als er kostenbesparingen kunnen worden gerealiseerd. Net als bij vloeibare lithiumbatterijen in de jaren zeventig vorderden de conceptualisering en experimentele verificatie gelijktijdig, maar wijdverbreid gebruik vond pas aan het einde van de 20e eeuw plaats.
In deze overgangsfase tussen vloeibare lithiumbatterijen en vastestofbatterijen zijn semi-vastestofbatterijen ontstaan. Semi-solid-state batterijen hebben aan de ene kant een elektrode die geen vloeibare elektrolyt bevat, terwijl de andere kant vloeibare elektrolyt bevat. Het aandeel vaste elektrolytmassa of -volume in een enkele cel is de helft van de totale elektrolytmassa of het totale volume. Vanwege het gedeeltelijk vaste elektrolyt bieden semi-vastestofbatterijen een hogere veiligheid in vergelijking met traditionele vloeibare lithiumbatterijen. Ze zijn minder gevoelig voor explosies, zelfs als ze worden doorboord. Deze batterijen maken gebruik van materialen met een hoge energiedichtheid, wat zorgt voor een hogere energiedichtheid en een levensduur van meer dan 2000 cycli. Bovendien vermindert de vermindering van het elektrolyt in semi-vastestofbatterijen effectief hun gewicht. Wat de batterijstructuur betreft, gebruiken semi-solid-state batterijen doorgaans een flexibel zakformaat waarbij aluminium-plastic folie de aluminium of stalen schaalcomponenten vervangt. Het Chinese merk voor elektrische voertuigen “NIO” maakt gebruik van semi-solid-state batterijen in zijn voertuigen.
Hieronder ziet u het demontage- en prikexperiment dat we hebben uitgevoerd met de halfvaste batterijcellen die in onze producten worden gebruikt.
Lithium-ion batterijen: Lithium-ionbatterijen integreren lithiumionen in koolstof (petroleumcokes en grafiet) om de negatieve elektrode te vormen (traditionele lithiumbatterijen gebruiken lithium of lithiumlegeringen als de negatieve elektrode). Veel voorkomende positieve elektrodematerialen zijn LixCoO2, LixNiO2 en LixMnO4. Het elektrolyt bestaat uit LiPF6 + ethyleencarbonaat (EC) + dimethylcarbonaat (DMC). Petroleumcokes en grafiet, gebruikt als negatieve elektrodematerialen, zijn niet-giftige en overvloedige hulpbronnen. Het inbedden van lithiumionen in koolstof ondervangt de hoge reactiviteit van lithium en pakt veiligheidsproblemen in traditionele lithiumbatterijen aan. De positieve elektrode LixCoO2 bereikt hoge prestatieniveaus en levensduur bij het laden en ontladen, waardoor de kosten worden verlaagd. De reactie tijdens het laden en ontladen voor secundaire lithium-ionbatterijen is als volgt:
Semi-solid-state batterijen: Halfvastestofbatterijen bestaan uit gekleurde stoffen die als positieve elektroden kunnen dienen, zoals natriumsilicaat (Na2Si2O5), natriummetasilicaat (Na2SiO3) of siliciumdioxide (SiO2), en gekleurde stoffen die als negatieve elektroden kunnen dienen, zoals titaniumdioxide (TiO2), natriumtitanaat (Na2TiO3) of titaniumsuboxide (Ti4O7). Positieve elektrodematerialen kunnen lithiumionen absorberen en opslaan, terwijl negatieve elektrodematerialen lithiumionen kunnen afgeven. Bovendien kunnen bepaalde grondstoffen in de batterij worden gebruikt om de prestaties van vaste elektrodematerialen te verbeteren, zoals amine (ethylamine, H3CNH2), ammoniumbicarbonaat (NH4HCO3), fluorhars (Fluorhars), dimethylfosfaat (Dimethylfosfaat) en carboxylaten. Het reactieproces van de positieve elektrode in semi-vastestofbatterijen is complex en de elektronische output wordt voornamelijk afgeleid van de reacties die plaatsvinden in de positieve elektrode, waarbij de reactiesnelheid afhankelijk is van de concentraties van de reactanten en de snelheid van elektronenoverdracht.
Prestatievergelijking:
Lithium-ion batterijen:
- Hoog voltage: De spanning van een enkele cel bereikt 3,7-3,8 V, drie keer zoveel als die van Ni-Cd- en Ni-MH-batterijen.
- Lange levensduur: Over het algemeen meer dan 500 cycli, zelfs meer dan 1000 cycli; fosforijzerlithium kan tot 8000 cycli bereiken.
- Goede veiligheidsprestaties: Milieuvriendelijk zonder geheugeneffect. Li-ion, de voorloper van lithium-ionbatterijen, elimineert het risico op kortsluiting als gevolg van lithiumdendrieten, waardoor het toepassingsbereik wordt uitgebreid.
- Lage zelfontlading: Ongeveer 2% zelfontlading na één maand bij kamertemperatuur, aanzienlijk lager dan Ni-Cd (25-30%) en Ni-MH (30-35%).
- Snel opladen: Met 1C opladen gedurende 30 minuten kan meer dan 80% van de nominale capaciteit worden bereikt, en fosforijzerbatterijen kunnen in 10 minuten 90% bereiken.
- Bedrijfstemperatuur: De bedrijfstemperatuur varieert van -25 tot 60°C, met het potentieel om uit te breiden tot -40 tot 70°C met verbeteringen in het elektrolyt en de positieve elektrode.
Semi-solid-state batterijen:
- Lichtgewicht, hoge energiedichtheid: Veranderingen in toepasselijke materiaalsystemen, met name het directe gebruik van metallisch lithium in plaats van in lithium ingebed grafiet als negatieve elektrode, verhogen de energiedichtheid aanzienlijk.
- Dun, klein volume: De eliminatie van scheiders en vloeibare elektrolyten vermindert de dikte, waardoor semi-vastestofbatterijtechnologie essentieel wordt voor miniaturisatie en dunnefilmtoepassingen.
- Flexibiliteit: Het gebruik van brosse keramische materialen in semi-vastestofbatterijen, wanneer teruggebracht tot een dikte op millimeterschaal, zorgt voor flexibiliteit. De juiste inkapselingsmaterialen zorgen ervoor dat de batterij honderden tot duizenden bochten kan weerstaan zonder significante prestatievermindering.
- Verbeterde veiligheid: Elimineert de gevaren die gepaard gaan met de vorming van lithiumdendriet onder hoge stroomsterkte en vermindert het risico op reacties, oxidatie, gasontwikkeling en verbranding die gepaard gaan met organische vloeibare elektrolyten in traditionele lithiumbatterijen.
Vergelijking tussen vloeibare en semi-vaste batterijen: In vergelijking met batterijen in vloeibare toestand is het belangrijkste kenmerk van semi-vastestofbatterijen de introductie van elektrolyten in vaste toestand, ter vervanging van de traditionele combinatie van vloeibare elektrolyt en scheiders. Halfvaste-stofbatterijen maken gebruik van half-vastestof-elektrolyten, waardoor de veiligheid aanzienlijk wordt verbeterd in vergelijking met vloeibare-stofbatterijen. Momenteel omvatten toonaangevende Chinese ontwikkelaars van semi-solid-state batterijen Weilan New Energy, Ganfeng Lithium, Funeng Technology, Guoxuan High-Tech en Qingtao Energy, die allemaal de industrialisatie van semi-solid-state batterijen hebben bereikt.
Toepassingsgebied:
Lithium-ion batterijen: De afgelopen jaren hebben lithium-ionbatterijen wijdverspreide toepassingen gevonden, waaronder energieopslagsystemen in waterkracht-, thermische, wind- en zonne-energiecentrales. Ze worden ook op grote schaal gebruikt in elektrisch gereedschap, elektrische fietsen, elektrische motorfietsen, elektrische voertuigen, speciale uitrusting, speciale ruimtevaart en diverse andere gebieden. Lithium-ionbatterijen breiden zich geleidelijk uit naar gebieden zoals elektrische fietsen en elektrische voertuigen.
Semi-solid-state batterijen: Semi-solid-state batterijen kunnen worden gebruikt in bemande luchtvaartuigen, landbouwsproeien, industriële patrouilles, bosbranden, bouwmonitoring, vrachtvervoer, luchtfotografie, kaarten, consumentenelektronica, draagbare energieopslag en nieuwe energievoertuigen.