A bateria de estado semi-sólido é uma nova tecnologia de armazenamento de energia eletroquímica, sua suspensão de eletrodo consiste principalmente de materiais ativos, aditivos condutores e eletrólito. As suspensões de eletrodos positivo e negativo da bateria são instaladas em dois tanques de armazenamento de líquido, e a bomba de distribuição de líquido é utilizada para circular a suspensão entre o reator da bateria e o tanque externo de armazenamento de líquido. Dentro do reator da bateria, as suspensões positivas e negativas são separadas por um diafragma iônico. Ao carregar, os íons dentro da bateria se movem do terminal positivo para o negativo, e os elétrons se movem do terminal positivo para o negativo através do circuito externo; enquanto durante a descarga, os íons e elétrons se movem na direção oposta à carga.

Vantagens das células de bateria de estado semi-sólido

A vantagem das baterias semissólidas é que a capacidade e a potência de armazenamento de energia podem ser reguladas de forma independente, ou seja, a capacidade de armazenamento de energia é determinada pelo tamanho do tanque de armazenamento de líquido e a potência é determinada pelo tamanho da câmara de reação da bateria. . Além disso, a utilização de materiais de eletrodos positivos e negativos é melhorada em comparação com baterias convencionais, e o eletrólito na suspensão do eletrodo é fácil de substituir ou reabastecer. Ao otimizar a composição da suspensão do eletrodo e a estrutura da célula, o desempenho eletroquímico da bateria pode ser melhorado ainda mais e seu custo geral pode ser reduzido.

Este design combina as características das baterias de estado sólido e líquido e possui os seguintes recursos importantes:
(1) Segurança: As baterias semissólidas são mais seguras em comparação com as baterias líquidas tradicionais. Como a parte do eletrólito é sólida, não é fácil vazar, reduzindo o risco de explosão da bateria. Exclua o perigo das baterias de lítio tradicionais nas seguintes situações: ① pode ocorrer trabalho sob dendritos de lítio de alta corrente, o que pode perfurar o diafragma, causando danos por curto-circuito. ② O eletrólito é um líquido orgânico e a tendência de reações colaterais, decomposição oxidativa, geração de gás e combustão será intensificada em altas temperaturas.
(2) Alta densidade de energia: As baterias semissólidas podem atingir maior densidade de energia, o que significa que podem armazenar mais energia no mesmo volume e peso e proporcionar maior tempo de uso.
(3) Carregamento rápido: As células de estado semi-sólido superam o problema de carregamento lento das baterias tradicionais de estado sólido com melhor desempenho de carregamento, permitindo um carregamento mais rápido da bateria.
(4) Ecologicamente correto: Em comparação com as baterias tradicionais, os materiais utilizados nas baterias semissólidas são mais ecologicamente corretos, reduzindo o impacto negativo no meio ambiente.
Devido às vantagens acima das baterias semissólidas, elas têm uma ampla perspectiva de aplicação nas áreas de veículos elétricos, dispositivos eletrônicos portáteis e armazenamento de energia renovável.

Quais são as vantagens das baterias semissólidas em relação às baterias líquidas tradicionais?

Maior segurança: Em comparação com as baterias líquidas tradicionais, as baterias semissólidas utilizam um eletrólito semissólido semelhante a gel ou poroso, o que reduz o risco de vazamento e combustão da bateria e, portanto, fornece um nível mais alto de segurança.
Maior densidade de energia: Em comparação com baterias de estado sólido, o eletrólito em baterias semissólidas normalmente tem melhor condutividade iônica, permitindo que a bateria armazene mais energia no mesmo volume, aumentando a densidade de energia.
Melhor desempenho de carregamento rápido: As baterias semissólidas têm melhor condutividade iônica, o que pode suportar velocidades de carregamento mais rápidas e reduzir o tempo de carregamento.
Bom desempenho em baixas temperaturas: As baterias semissólidas são mais estáveis ​​em baixas temperaturas do que as baterias líquidas tradicionais, com menos degradação do desempenho da bateria.
Ecologicamente correto: As baterias semissólidas geralmente utilizam materiais inorgânicos ou recursos renováveis ​​como eletrólito, o que reduz o impacto no meio ambiente e é mais ecologicamente correto.
Melhor ciclo de vida: Como as baterias semissólidas evitam o fluxo de eletrólito líquido, há menos corrosão e acúmulo dentro da bateria, resultando em um melhor ciclo de vida.
No geral, as baterias semissólidas têm certas vantagens sobre as baterias líquidas tradicionais e as baterias de estado sólido em termos de segurança, densidade de energia, desempenho de carregamento, desempenho em baixas temperaturas, respeito ao meio ambiente e ciclo de vida.

Como funciona uma bateria semissólida?

Migração de íons em misturas eletrolíticas sólido-líquido durante a carga e descarga, levando ao armazenamento e liberação de energia.

Os principais componentes de uma bateria semissólida incluem dois eletrodos (geralmente positivo e negativo) e um eletrólito semissólido. Os eletrodos positivos e negativos são separados pelo eletrólito semissólido, formando uma área de reação eletroquímica.
Durante a carga e a descarga, o eletrodo positivo libera elétrons enquanto o eletrodo negativo os absorve. Enquanto isso, no eletrólito semissólido, os íons se moverão entre os eletrodos positivo e negativo. Especificamente:
Processo de carregamento:
Durante o carregamento, uma fonte de energia externa fornece corrente para a bateria, o que faz com que os íons metálicos no material do eletrodo positivo (por exemplo, íons de lítio) comecem a se desincorporar e liberar elétrons. Esses elétrons fluem de volta para o eletrodo negativo através do circuito externo, completando o processo de carregamento da bateria. Ao mesmo tempo, os íons metálicos no material do eletrodo positivo são transportados para o eletrodo negativo no eletrólito semissólido e incorporados no eletrodo negativo, completando o transporte de íons na bateria.

Processo de descarga:
Durante a descarga, um circuito externo conecta a carga e os elétrons fluem do eletrodo negativo para o eletrodo positivo para fornecer energia à carga. Ao mesmo tempo, os íons metálicos no material do eletrodo negativo começam a se desincorporar e são transportados para o eletrodo positivo no eletrólito semissólido. No eletrodo positivo, esses íons metálicos ficam embutidos no material positivo, completando o processo de descarga da bateria.
Ao longo do processo de carga e descarga, o eletrólito semissólido desempenha o papel de condução iônica, o que permite a transferência efetiva de íons entre os eletrodos positivos e negativos, completando assim as reações de carga e descarga da bateria.

Diagrama do princípio de funcionamento da bateria de fluxo líquido semissólido

Em quais áreas as baterias de estado semissólido têm aplicações promissoras?

Veículos elétricos: As baterias de estado semissólido têm potencial para ser uma importante solução de armazenamento de energia em veículos elétricos devido à sua alta densidade de energia e desempenho de carregamento rápido. Esta tecnologia de bateria pode proporcionar maior alcance e menor tempo de carregamento, promovendo assim a popularização e o desenvolvimento de veículos elétricos.

Vestuário: À medida que smartwatches, pulseiras inteligentes e outros dispositivos vestíveis se tornam mais populares, há uma demanda crescente por baterias pequenas, leves e de alta densidade de energia. A alta densidade de energia e a segurança das baterias de estado semissólido tornam-nas uma fonte de energia ideal para dispositivos vestíveis.
Dispositivos móveis: Dispositivos móveis como smartphones e tablets requerem baterias confiáveis ​​e de alto desempenho. O desempenho de carregamento rápido e o longo ciclo de vida das baterias de estado semissólido tornam-nas uma opção de energia atraente para dispositivos móveis.
Sistemas de armazenamento de energia: A alta densidade de energia e a confiabilidade das baterias de estado semissólido fazem delas uma escolha potencial para sistemas de armazenamento de energia domésticos e industriais. Esses sistemas podem ser usados ​​para equilibrar a oferta e a demanda de energia, armazenando fontes de energia renováveis, como solar e eólica.
Aeroespacial: No setor aeroespacial, o peso leve e o alto desempenho das baterias são essenciais para o desempenho de aeronaves e satélites. As baterias de estado semissólido têm a vantagem de fornecer maior densidade de energia e melhor desempenho de segurança e, portanto, têm potencial para serem amplamente utilizadas no setor aeroespacial.
Dispositivos médicos vestíveis: A indústria médica tem uma grande demanda por baterias pequenas, seguras e confiáveis ​​para suportar o uso de vários dispositivos médicos vestíveis. As características das baterias de estado semissólido conferem-lhes potencial para aplicação nesta área.

Na verdade, existem muitos outros cenários onde pode ser usado devido às seguintes características: Segurança aprimorada, resistência a altas temperaturas, alta densidade de energia, capacidade de carregamento rápido
Ciclo de vida longo, flexibilidade de design

Os defeitos fundamentais do fosfato de ferro-lítio

(1) No processo de sinterização durante a preparação do fosfato de ferro-lítio, existe a possibilidade de que o óxido de ferro seja reduzido a ferro monomérico sob uma atmosfera redutora de alta temperatura. O ferro monoatômico pode causar microcurto-circuito na bateria, que é uma substância tabu na bateria.
(2) O fosfato de ferro-lítio apresenta alguns defeitos de desempenho, como densidade de vibração e densidade de compactação muito baixas, resultando em baixa densidade de energia das baterias de íon-lítio. O desempenho em baixas temperaturas é ruim, e mesmo seu nanodimensionamento e revestimento de carbono não resolveram esse 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) Fraca consistência do produto. Do ponto de vista da preparação do material, a reação de síntese do fosfato de ferro-lítio é uma reação multifásica complexa, com fosfatos de fase sólida, óxidos de ferro e sais de lítio, além de precursores de carbono e fase gasosa redutora. Neste complexo processo de reação, é difícil garantir a consistência da reação.