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bateria de estado semi-sólido vs bateria de íon de lítio

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bateria de estado semi-sólido vs bateria de íon de lítio

Uma bateria refere-se a um espaço em um copo, gamela ou outro recipiente ou recipiente composto que contém uma solução eletrolítica e eletrodos de metal para gerar eletricidade. É um dispositivo que converte energia química em energia elétrica. Possui pólos positivos e negativos. Com o avanço da tecnologia, o termo “bateria” agora geralmente se refere a pequenos dispositivos que podem gerar energia elétrica, como células solares. Os parâmetros de desempenho de uma bateria incluem principalmente força eletromotriz, capacidade, energia específica e resistência. Ao usar uma bateria como fonte de energia, pode-se obter uma tensão estável, uma corrente estável, uma fonte de alimentação estável a longo prazo, uma corrente minimamente afetada por fatores externos e uma estrutura simples e fácil de transportar. As operações de carga e descarga são convenientes e diretas. As baterias não são influenciadas pelas condições climáticas e temperaturas externas e apresentam desempenho estável e confiável, desempenhando um papel significativo em vários aspectos da vida social moderna.

Existem vários tipos comuns de baterias, incluindo:

  1. Célula Seca: As células secas pertencem à categoria de baterias primárias em fontes de energia química e são baterias descartáveis. Elas são chamadas de células secas porque o eletrólito nesse tipo de fonte de energia química é uma pasta não fluida, em contraste com baterias com eletrólitos fluidos. As células secas são adequadas para diversas aplicações, incluindo lanternas, rádios semicondutores, gravadores, câmeras, relógios eletrônicos, brinquedos, bem como na defesa nacional, pesquisa científica, telecomunicações, navegação, aviação, medicina e outros setores da economia nacional.

As baterias de chumbo-ácido, contando com seu forte desempenho de descarga de alta corrente, características de tensão estáveis, aplicabilidade em ampla faixa de temperatura, grande capacidade individual da bateria, alta segurança, matérias-primas abundantes e recicláveis ​​e baixo custo, mantêm uma posição firme na maioria dos campos de aplicação tradicionais e alguns emergentes. Existe uma tensão de 2 volts entre os pólos positivo e negativo da bateria de chumbo-ácido. Uma das vantagens das baterias de armazenamento é que elas podem ser usadas repetidamente várias vezes. Além disso, devido à sua resistência interna extremamente baixa, podem fornecer uma grande corrente. Ao fornecer energia ao motor de um carro, as baterias de chumbo-ácido podem fornecer correntes instantâneas de mais de 20 amperes. Durante o carregamento, a bateria armazena energia elétrica e, durante a descarga, converte energia química em energia elétrica. As baterias de chumbo-ácido encontram ampla aplicação em automóveis, trens, tratores, motocicletas, veículos elétricos, bem como em comunicações, estações de energia, transmissão de energia, instrumentação, fontes de alimentação UPS e nas áreas de aeronaves, tanques, navios, sistemas de radar , e mais

Uma bateria de lítio é um tipo de bateria com lítio como eletrodo negativo. É uma nova bateria de alta energia desenvolvida após a década de 1960. É categorizado com base no eletrólito usado:

  1. Bateria de lítio de sal fundido de alta temperatura.
  2. Bateria de lítio com eletrólito orgânico.
  3. Bateria de lítio com eletrólito inorgânico não aquoso.
  4. Bateria de lítio com eletrólito sólido.
  5. Bateria de lítio-água.

As vantagens das baterias de lítio incluem alta tensão de célula individual, grande energia específica, longa vida útil de armazenamento (até 10 anos), bom desempenho em altas e baixas temperaturas (utilizável na faixa de -40 a 150°C). No entanto, as desvantagens incluem alto custo e segurança relativamente baixa. Além disso, questões como atraso de tensão e questões de segurança ainda precisam de melhorias. O desenvolvimento significativo de baterias de energia e o surgimento de novos materiais de eletrodos positivos, especialmente o avanço dos materiais de fosfato de ferro-lítio, contribuíram enormemente para o progresso das baterias de lítio.

Baterias de íon de lítio: As baterias de íons de lítio, comumente chamadas de baterias de lítio, são usadas em smartphones e laptops. Essas baterias normalmente utilizam materiais contendo elementos de lítio como eletrodos e representam baterias modernas de alto desempenho. Desenvolvidas inicialmente pela Sony em 1990, as baterias de íons de lítio usam eletrólitos orgânicos líquidos não aquosos. É importante observar que elas podem ser facilmente confundidas com outros dois tipos de baterias:

  1. Baterias de lítio, com lítio metálico como eletrodo negativo.
  2. Baterias de polímero de íon-lítio, que usam polímeros para gelatinizar solventes orgânicos líquidos ou usam diretamente eletrólitos totalmente em estado sólido. As baterias de íon-lítio geralmente empregam materiais de carbono semelhantes ao grafite como eletrodo negativo.

Baterias de estado semi-sólido: Antes de nos aprofundarmos nas baterias de estado semissólido, é necessário entender o que são baterias de estado sólido. As baterias de estado sólido usam eletrodos sólidos e eletrólitos sólidos. As tradicionais baterias de lítio líquido, muitas vezes metaforicamente denominadas “baterias de cadeira de balanço”, têm pólos positivos e negativos nas extremidades da cadeira de balanço, com um eletrólito líquido no meio. Os íons de lítio, agindo como atletas habilidosos, oscilam entre os pólos positivo e negativo, completando o processo de carga e descarga da bateria. O princípio das baterias de estado sólido é semelhante, mas o seu eletrólito é sólido. Esta densidade e estrutura permitem que mais íons carregados se reúnam em um lado, facilitando maior condução de corrente e aumentando assim a capacidade da bateria. Consequentemente, as baterias de estado sólido podem ser menores para a mesma quantidade de energia. Além disso, como não há eletrólito líquido, a vedação fica mais fácil, eliminando a necessidade de tubos de resfriamento adicionais e controles eletrônicos em dispositivos de grande porte, como automóveis, economizando custos e reduzindo peso.

Embora o conceito de baterias de estado sólido não seja novo, o progresso no desenvolvimento não foi tão rápido como inicialmente previsto. A transição da experimentação laboratorial para a produção em massa ainda levará um tempo considerável, mesmo que possam ser alcançadas reduções de custos. Tal como aconteceu com as baterias de lítio líquido na década de 1970, a conceituação e a verificação experimental progrediram simultaneamente, mas o uso generalizado não ocorreu até o final do século XX.

Nesta fase de transição entre baterias de lítio líquido e baterias de estado sólido, surgiram baterias de estado semi-sólido. As baterias de estado semi-sólido têm um eletrodo de um lado que não contém eletrólito líquido, enquanto o outro lado contém eletrólito líquido. A proporção da massa ou volume do eletrólito sólido em uma única célula é metade da massa ou volume total do eletrólito. Devido ao eletrólito parcialmente sólido, as baterias de estado semi-sólido oferecem maior segurança em comparação com as tradicionais baterias de lítio líquido. São menos propensos a explosões, mesmo quando perfurados. Essas baterias usam materiais de alta densidade energética, proporcionando maior densidade energética e uma vida útil de mais de 2.000 ciclos. Além disso, a redução do eletrólito nas baterias de estado semi-sólido reduz efetivamente o seu peso. Em termos de estrutura da bateria, as baterias de estado semissólido normalmente usam um formato de bolsa flexível com filme plástico de alumínio substituindo os componentes do invólucro de alumínio ou aço. A marca chinesa de veículos elétricos “NIO” emprega baterias de estado semissólido em seus veículos.

Abaixo está o experimento de desmontagem e picada de agulha que fizemos nas células de bateria semissólidas usadas em nossos produtos.

Baterias de íon de lítio: As baterias de íons de lítio incorporam íons de lítio em carbono (coque de petróleo e grafite) para formar o eletrodo negativo (as baterias de lítio tradicionais usam lítio ou ligas de lítio como eletrodo negativo). Os materiais de eletrodo positivo comuns incluem LixCoO2, LixNiO2 e LixMnO4. O eletrólito consiste em LiPF6 + carbonato de etileno (EC) + carbonato de dimetila (DMC). O coque de petróleo e o grafite, usados ​​como materiais de eletrodo negativo, são recursos não tóxicos e abundantes. A incorporação de íons de lítio no carbono supera a alta reatividade do lítio, abordando questões de segurança nas baterias de lítio tradicionais. O eletrodo positivo LixCoO2 atinge altos níveis de desempenho e vida útil em carga e descarga, reduzindo custos. A reação durante a carga e descarga das baterias secundárias de íons de lítio é a seguinte:

Baterias de estado semi-sólido: As baterias de estado semissólido consistem em substâncias coloridas capazes de servir como eletrodos positivos, como silicato de sódio (Na2Si2O5), metassilicato de sódio (Na2SiO3) ou dióxido de silício (SiO2), e substâncias coloridas que servem como eletrodos negativos, como dióxido de titânio. (TiO2), titanato de sódio (Na2TiO3) ou subóxido de titânio (Ti4O7). Os materiais dos eletrodos positivos podem absorver e armazenar íons de lítio, enquanto os materiais dos eletrodos negativos podem liberar íons de lítio. Além disso, certas matérias-primas podem ser usadas na bateria para melhorar o desempenho de materiais de eletrodos sólidos, como amina (etilamina, H3CNH2), bicarbonato de amônio (NH4HCO3), resina de flúor (resina de flúor), fosfato de dimetila (fosfato de dimetila) e carboxilatos. O processo de reação do eletrodo positivo em baterias de estado semissólido é complexo, e a saída eletrônica é derivada principalmente das reações que ocorrem no eletrodo positivo, com a taxa de reação dependendo das concentrações dos reagentes e das taxas de transferência de elétrons.

Comparação de desempenho:

Baterias de íon de lítio:

  1. Alta voltagem: A tensão de célula única atinge 3,7-3,8 V, três vezes a das baterias Ni-Cd e Ni-MH.
  2. Ciclo de vida longo: Geralmente ultrapassando 500 ciclos, ultrapassando até 1000 ciclos; O ferro fosfórico e o lítio podem atingir até 8.000 ciclos.
  3. Bom desempenho de segurança: Ecologicamente correto, sem efeito memória. O íon-lítio, precursor das baterias de íon-lítio, elimina o risco de curtos-circuitos devido aos dendritos de lítio, ampliando sua gama de aplicações.
  4. Baixa autodescarga: Taxa de autodescarga de aproximadamente 2% após um mês em temperatura ambiente, significativamente menor que Ni-Cd (25-30%) e Ni-MH (30-35%).
  5. Carregamento rápido: O carregamento 1C por 30 minutos pode atingir mais de 80% da capacidade nominal, e as baterias de ferro fosfórico podem atingir 90% em 10 minutos.
  6. Temperatura de operação: A temperatura operacional varia de -25 a 60°C, com potencial de expansão para -40 a 70°C com melhorias no eletrólito e no eletrodo positivo.

Baterias de estado semi-sólido:

  1. Leve, alta densidade de energia: Mudanças nos sistemas de materiais aplicáveis, particularmente o uso direto de lítio metálico em vez de grafite incorporado em lítio como eletrodo negativo, aumentam significativamente a densidade de energia.
  2. Volume fino e pequeno: A eliminação de separadores e eletrólitos líquidos reduz a espessura, tornando a tecnologia de bateria de estado semi-sólido essencial para aplicações de miniaturização e filmes finos.
  3. Flexibilidade: O uso de materiais cerâmicos frágeis em baterias de estado semissólido, quando reduzidos à espessura em escala milimétrica, permite flexibilidade. Os materiais de encapsulamento adequados permitem que a bateria suporte centenas a milhares de dobras sem degradação significativa do desempenho.
  4. Segurança aprimorada: Elimina os perigos associados à formação de dendritos de lítio sob alta corrente e reduz o risco de reações, oxidação, geração de gás e combustão associada a eletrólitos líquidos orgânicos em baterias de lítio tradicionais.

Comparação entre baterias de estado líquido e semissólido: Em comparação com as baterias de estado líquido, a principal característica das baterias semissólidas é a introdução de eletrólitos de estado sólido, substituindo a tradicional combinação de eletrólito líquido e separadores. As baterias de estado semi-sólido empregam eletrólitos de estado semi-sólido, melhorando significativamente a segurança em comparação com as baterias de estado líquido. Atualmente, os principais desenvolvedores chineses de baterias de estado semi-sólido incluem Weilan New Energy, Ganfeng Lithium, Funeng Technology, Guoxuan High-Tech e Qingtao Energy, todos os quais alcançaram a industrialização de baterias de estado semi-sólido.

Escopo de aplicação:

Baterias de íon de lítio: Nos últimos anos, as baterias de íon-lítio encontraram aplicações generalizadas, incluindo sistemas de armazenamento de energia em usinas hidrelétricas, térmicas, eólicas e solares. Eles também são amplamente utilizados em ferramentas elétricas, bicicletas elétricas, motocicletas elétricas, veículos elétricos, equipamentos especiais, aeroespacial especial e vários outros campos. As baterias de íon-lítio estão gradualmente se expandindo para áreas como bicicletas elétricas e veículos elétricos.

Baterias de estado semi-sólido: Baterias de estado semissólido podem ser usadas em veículos aéreos tripulados, pulverização agrícola, patrulhas industriais, combate a incêndios florestais, monitoramento de construção, transporte de carga, fotografia aérea, mapeamento, produtos eletrônicos de consumo, armazenamento portátil de energia e novos veículos de energia.

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