Semi-solid state batterij is een nieuwe elektrochemische energieopslagtechnologie, de elektrode-ophanging bestaat voornamelijk uit actieve materialen, geleidende additieven en elektrolyt. De positieve en negatieve elektrode-suspensies van de batterij zijn geïnstalleerd in twee vloeistofopslagtanks, en de vloeistofafgiftepomp wordt gebruikt om de suspensie te laten circuleren tussen de batterijreactor en de externe vloeistofopslagtank. In de batterijreactor worden de positieve en negatieve suspensies gescheiden door een ionisch diafragma. Tijdens het opladen bewegen de ionen in de batterij van de positieve naar de negatieve pool en bewegen de elektronen van de positieve naar de negatieve pool via het externe circuit; terwijl bij het ontladen de ionen en elektronen in de tegenovergestelde richting van het opladen bewegen.

Voordelen van semi-solid-state batterijcellen

Het voordeel van halfvaste batterijen is dat de energieopslagcapaciteit en het vermogen onafhankelijk kunnen worden geregeld, dat wil zeggen dat de energieopslagcapaciteit wordt bepaald door de grootte van de vloeistofopslagtank en het vermogen wordt bepaald door de grootte van de batterijreactiekamer. . Bovendien is het gebruik van positieve en negatieve elektrodematerialen verbeterd in vergelijking met conventionele batterijen, en is de elektrolyt in de elektrode-ophanging eenvoudig te vervangen of aan te vullen. Door de samenstelling van de elektrode-ophanging en de celstructuur te optimaliseren, kunnen de elektrochemische prestaties van de batterij verder worden verbeterd en kunnen de totale kosten ervan worden verlaagd.

Dit ontwerp combineert de kenmerken van vaste-stof- en vloeibare batterijen en heeft de volgende belangrijke kenmerken:
(1) Veiligheid: Halfvaste batterijen zijn veiliger in vergelijking met traditionele vloeibare batterijen. Omdat het elektrolytgedeelte vast is, lekt het niet gemakkelijk, waardoor het risico op explosie van de batterij wordt verminderd. Sluit het gevaar van traditionele lithiumbatterijen uit in de volgende situaties: ① Er kunnen lithiumdendrieten met een hoge stroomsterkte optreden, waardoor het membraan kan worden doorboord, wat kan leiden tot kortsluiting. ② De elektrolyt is een organische vloeistof en de neiging tot nevenreacties, oxidatieve ontleding, gasvorming en verbranding zal bij hoge temperaturen toenemen.
(2) Hoge energiedichtheid: Halfvaste batterijen kunnen een hogere energiedichtheid bereiken, wat betekent dat ze meer energie kunnen opslaan in hetzelfde volume en gewicht, en een langere gebruiksduur kunnen bieden.
(3) Snel opladen: Semi-solid-state-cellen overwinnen het probleem van het langzaam opladen van traditionele solid-state-batterijen met betere laadprestaties, waardoor de batterij sneller kan worden opgeladen.
(4) Milieuvriendelijk: Vergeleken met traditionele batterijen zijn de materialen die in halfvaste batterijen worden gebruikt milieuvriendelijker, waardoor de negatieve impact op het milieu wordt verminderd.
Vanwege de bovengenoemde voordelen van halfvaste batterijen heeft het een breed toepassingsperspectief op het gebied van elektrische voertuigen, draagbare elektronische apparaten en opslag van hernieuwbare energie.

Wat zijn de voordelen van semi-vaste batterijen ten opzichte van traditionele vloeibare batterijen?

Hogere veiligheid: Vergeleken met traditionele vloeibare batterijen maken halfvaste batterijen gebruik van een gelachtige of poreuze halfvaste elektrolyt, waardoor het risico op batterijlekkage en verbranding wordt verminderd en daardoor een hoger veiligheidsniveau wordt geboden.
Hogere energiedichtheid: Vergeleken met vastestofbatterijen heeft de elektrolyt in halfvaste batterijen doorgaans een betere ionengeleiding, waardoor de batterij meer energie in hetzelfde volume kan opslaan, waardoor de energiedichtheid toeneemt.
Betere snelle oplaadprestaties: Halfvaste batterijen hebben een betere ionengeleiding, wat hogere laadsnelheden kan ondersteunen en de oplaadtijden kan verkorten.
Goede prestaties bij lage temperaturen: Halfvaste batterijen zijn stabieler bij lage temperaturen dan traditionele vloeibare batterijen, met minder verslechtering van de batterijprestaties.
Milieuvriendelijk: Halfvaste batterijen gebruiken meestal anorganische materialen of hernieuwbare bronnen als elektrolyt, wat de impact op het milieu vermindert en milieuvriendelijker is.
Betere levensduur: Omdat halfvaste batterijen de stroom vloeibare elektrolyt vermijden, is er minder corrosie en opbouw in de batterij, wat resulteert in een betere levensduur.
Over het geheel genomen hebben halfvaste batterijen bepaalde voordelen ten opzichte van traditionele vloeibare batterijen en vastestofbatterijen in termen van veiligheid, energiedichtheid, oplaadprestaties, prestaties bij lage temperaturen, milieuvriendelijkheid en levensduur.

Hoe werkt een halfvaste batterij?

Migratie van ionen in vaste-vloeibare elektrolytmengsels tijdens het laden en ontladen, wat leidt tot energieopslag en -afgifte.

De belangrijkste componenten van een halfvaste batterij zijn twee elektroden (meestal positief en negatief) en een halfvaste elektrolyt. De positieve en negatieve elektroden worden gescheiden door de halfvaste elektrolyt, waardoor een elektrochemisch reactiegebied ontstaat.
Tijdens het opladen en ontladen laat de positieve elektrode elektronen vrij, terwijl de negatieve elektrode deze absorbeert. Ondertussen zullen in de halfvaste elektrolyt ionen tussen de positieve en negatieve elektroden bewegen. Specifiek:
Oplaadproces:
Tijdens het opladen levert een externe voedingsbron stroom aan de batterij, waardoor metaalionen in het positieve elektrodemateriaal (bijvoorbeeld lithiumionen) zich beginnen te ontsluiten en elektronen vrijgeven. Deze elektronen stromen via het externe circuit terug naar de negatieve elektrode, waardoor het laadproces van de batterij wordt voltooid. Tegelijkertijd worden de metaalionen in het positieve elektrodemateriaal naar de negatieve elektrode in de halfvaste elektrolyt getransporteerd en ingebed in de negatieve elektrode, waardoor het ionentransport in de batterij wordt voltooid.

Ontladingsproces:
Tijdens de ontlading verbindt een extern circuit de belasting en stromen elektronen van de negatieve elektrode naar de positieve elektrode om energie aan de belasting te leveren. Tegelijkertijd beginnen metaalionen in het negatieve elektrodemateriaal zich te ontsluiten en worden ze getransporteerd naar de positieve elektrode in de halfvaste elektrolyt. Bij de positieve elektrode worden deze metaalionen ingebed in het positieve materiaal, waardoor het ontladingsproces in de batterij wordt voltooid.
Tijdens het laad- en ontlaadproces speelt de halfvaste elektrolyt de rol van ionische geleiding, waardoor een effectieve ionenoverdracht tussen de positieve en negatieve elektroden mogelijk wordt, waardoor de laad- en ontlaadreacties van de batterij worden voltooid.

Halfvaste vloeistofstroombatterij werkingsprincipediagram

Op welke gebieden hebben semi-solid state batterijen veelbelovende toepassingen?

Elektrische voertuigen: Halfvastestofbatterijen hebben het potentieel om een ​​belangrijke oplossing voor energieopslag in elektrische voertuigen te zijn vanwege hun hoge energiedichtheid en snelle oplaadprestaties. Deze batterijtechnologie kan een groter bereik en een kortere oplaadtijd bieden, waardoor de popularisering en ontwikkeling van elektrische voertuigen wordt bevorderd.

Draagbare artikelen: Naarmate smartwatches, smartbands en andere draagbare apparaten populairder worden, is er een groeiende vraag naar kleine, lichtgewicht batterijen met een hoge energiedichtheid. De hoge energiedichtheid en veiligheid van semi-vastestofbatterijen maken ze tot een ideale energiebron voor draagbare apparaten.
Mobiele apparaten: Mobiele apparaten zoals smartphones en tablets hebben betrouwbare, krachtige batterijen nodig. De snelle oplaadprestaties en de lange levensduur van semi-solid-state batterijen maken ze tot een aantrekkelijke energieoptie voor mobiele apparaten.
Energieopslagsystemen: De hoge energiedichtheid en betrouwbaarheid van semi-vastestofbatterijen maken ze tot een potentiële keuze voor energieopslagsystemen voor thuis en in de industrie. Deze systemen kunnen worden gebruikt om vraag en aanbod van energie in evenwicht te brengen, door hernieuwbare energiebronnen zoals zonne- en windenergie op te slaan.
Lucht- en ruimtevaart: In de lucht- en ruimtevaartsector zijn het lichte gewicht en de hoge prestaties van batterijen van cruciaal belang voor de prestaties van vliegtuigen en satellieten. Halfvastestofbatterijen hebben het voordeel dat ze een hogere energiedichtheid en betere veiligheidsprestaties bieden, en hebben daarom het potentieel om op grote schaal te worden gebruikt in de lucht- en ruimtevaartsector.
Draagbare medische apparaten: De medische industrie heeft een grote vraag naar kleine, veilige en betrouwbare batterijen ter ondersteuning van het gebruik van verschillende draagbare medische apparaten. De kenmerken van semi-vastestofbatterijen bieden mogelijkheden voor toepassing op dit gebied.

In feite zijn er veel meer scenario's waarin het kan worden gebruikt vanwege de volgende kenmerken: verbeterde veiligheid, hoge temperatuurbestendigheid, hoge energiedichtheid, snellaadvermogen
Lange levensduur, ontwerpflexibiliteit

De fundamentele gebreken van lithiumijzerfosfaat

(1) Bij het sinterproces tijdens de bereiding van lithiumijzerfosfaat bestaat de mogelijkheid dat ijzeroxide onder een reducerende atmosfeer bij hoge temperatuur wordt gereduceerd tot monomeer ijzer. Monatomisch ijzer kan microkortsluiting in de batterij veroorzaken, een stof die in de batterij taboe is.
(2) Lithiumijzerfosfaat heeft enkele prestatiegebreken, zoals een zeer lage trillingsdichtheid en verdichtingsdichtheid, wat resulteert in een lage energiedichtheid van lithium-ionbatterijen. De prestaties bij lage temperaturen zijn slecht, en zelfs de nanogrootte en koolstofcoating hebben dit probleem niet opgelost.
(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) Slechte productconsistentie. Vanuit het oogpunt van materiaalvoorbereiding is de synthesereactie van lithiumijzerfosfaat een complexe meerfasereactie, met fosfaten in de vaste fase, ijzeroxiden en lithiumzouten, plus voorlopers van koolstof en een reducerende gasfase. Bij dit complexe reactieproces is het moeilijk om de consistentie van de reactie te garanderen.