Batterie à l'état solide - la vue d'ensemble et le guide ultime
Avec le développement rapide des nouvelles technologies énergétiques, les batteries à l'état solide, en tant que nouveau type de dispositif de stockage d'énergie doté d'un grand potentiel, passent progressivement du laboratoire à l'industrialisation. Elles ont attiré l'attention du monde entier en raison de leur haute densité énergétique, de leurs performances supérieures en matière de sécurité et de leur longue durée de vie.
L'article fournit un guide complet sur la vue d'ensemble, les principes, les avantages et les inconvénients de l'utilisation de l'Internet. batterie à l'état solide.
Table des matières
Qu'est-ce qu'une batterie à l'état solide ?
Une batterie à l'état solide est un type de batterie qui utilise une électrode solide et un électrolyte solide. Le matériau de l'électrode négative de la batterie à l'état solide peut être une électrode négative composite de nano-silicium et de graphite, et le matériau de l'électrode négative de la batterie à l'état solide peut être un matériau d'électrolyte solide. matériaux de cathode Il peut s'agir de manganate de lithium, de matériaux à base de manganate riche en lithium ou de matériaux de cathode sans lithium. L'électrolyte est un électrolyte solide dont la densité énergétique est comprise entre 300 et 450 wattheures/kg.
La batterie à l'état solide utilise des électrolytes solides pour remplacer l'électrolyte et la pile. séparateur de piles au lithiumqui sont plus sûres, ont une densité énergétique plus élevée et une meilleure performance de cyclage, et sont devenues la principale orientation de la recherche et du développement des batteries d'énergie de la prochaine génération.
Sur la base des matériaux électrolytiques, les batteries à l'état solide peuvent être divisées en trois électrolytes : polymère, oxyde, sulfure. En fonction des différents types d'électrodes négatives, les batteries au lithium à l'état solide peuvent être divisées en batteries lithium-ion à l'état solide et en batteries lithium-métal à l'état solide.
Mécanisme de conduction ionique de la batterie à l'état solide
Les électrolytes solides sont généralement divisés en électrolytes solides inorganiques et en électrolytes solides à base de polymères. La migration des ions dans les matériaux cristallins des électrolytes solides inorganiques suit généralement la formule d'Arrhenius, qui dépend de la concentration et de la distribution des défauts dans la structure cristalline. Le mécanisme de diffusion des ions basé sur les défauts ponctuels de Schottky et de Frenkel comprend une simple diffusion de vacance et un mécanisme relativement complexe de bivacance, un mécanisme de lacune et un mécanisme d'échange entre lacune et déplacement.
L'électrolyte polymère solide est généralement une solution solide formée par un mélange uniforme de la matrice polymère et du sel de lithium. Par rapport à l'électrolyte solide inorganique, l'électrolyte solide polymère présente les avantages d'une bonne souplesse, d'une viscosité élevée, d'un faible coût et d'un traitement facile.
Les groupes polaires de l'électrolyte polymère, tels que C = O, C = N, -O -, un S -, etc., peuvent se coordonner avec les ions lithium pour favoriser la dissolution des sels de lithium et produire des ions se déplaçant librement. Actuellement, la plupart des études estiment que le transport d'ions dans les électrolytes polymères se produit principalement dans la région amorphe au-dessus de Tg, de sorte que la capacité de mouvement de ses segments de chaîne est également la clé d'un transport d'ions efficace.
Avantages des piles au lithium à l'état solide
Dans la batterie au lithium à l'état solide, l'électrolyte solide remplace l'électrolyte liquide organique, afin d'obtenir certains avantages potentiels. Compte tenu des différences significatives entre l'électrolyte polymère et l'électrolyte inorganique en matière de conduction ionique, de stabilité thermique, de propriétés mécaniques, etc., l'accent est mis ici sur la batterie au lithium à l'état solide basée sur l'électrolyte inorganique.
Bonne sécurité
L'électrolyte organique inflammable est complètement abandonné dans la batterie au lithium à l'état solide, ce qui permet d'éliminer les fuites d'électrolyte, la surcharge ou la décharge excessive, la décomposition de l'électrolyte, la gazéification, la combustion et d'autres risques pour la sécurité. La température élevée de décomposition thermique de l'électrolyte solide peut éliminer le risque de déformation ou de décomposition de la membrane polymère en cas d'abus thermique.
En outre, l'électrolyte solide a un module d'Young élevé, en particulier l'électrolyte solide inorganique, ce qui peut réduire le risque d'effets indésirables. court-circuit interne L'électrolyte solide présente une bonne stabilité thermique et une faible réactivité aux électrodes positives et négatives. Il n'est pas facile de produire des réactions en chaîne, ce qui peut réduire le risque d'emballement thermique. Par conséquent, les batteries au lithium à l'état solide présentent des caractéristiques de sécurité élevées.
Densité énergétique élevée
La grande sécurité des électrolytes solides rend possible l'application de l'anode lithium-métal à haute énergie spécifique dans les batteries à l'état solide. La batterie à l'état solide peut réaliser un empilement bipolaire en raison de la non-fluidité de l'électrolyte à l'état solide, ce qui simplifie le processus de fabrication de la batterie à l'état solide. production de batteries et réduit la proportion de composants non électrochimiquement actifs tels que l'emballage extérieur.
En outre, les piles à l'état solide peuvent fonctionner dans une large gamme de températures, ce qui simplifie le système de contrôle de la température. La cathode en lithium métal à haute capacité et la structure compacte de la batterie confèrent aux batteries au lithium à l'état solide des avantages potentiels en termes de densité énergétique.
Densité de puissance élevée
La concentration en ions lithium (1-2 mol dm-3) et le nombre de migration des ions dans l'électrolyte organique liquide sont faibles (environ 0,4-0,5), et le taux de migration insuffisant des anions et des cations entraîne un gradient de concentration des ions lors de la charge et de la décharge dans des conditions de densité de courant élevée, de sorte qu'il n'est pas en mesure d'assurer un transport continu et rapide des ions.
En revanche, les électrolytes solides inorganiques ont généralement une concentration élevée d'ions lithium (environ 35 mol dm-3 dans l'électrolyte Li10GeP2S12) et un nombre de migration ionique élevé (proche de 1), et peuvent encore assurer une conduction ionique continue et rapide lorsqu'ils fonctionnent à une densité de courant élevée. Par conséquent, les batteries au lithium à l'état solide présentent des avantages potentiels en termes de puissance de sortie.
Longue durée de vie
Dans les batteries lithium-ion liquides, l'épaisseur de la phase intermédiaire de l'électrolyte solide (SEI) continuera à augmenter jusqu'à ce qu'il soit impossible d'effectuer le passage des électrons par effet tunnel et la pénétration des solvants, et ce processus continuera à consommer des éléments de lithium et de l'électrolyte, et conduira finalement à la perte de lithium et à l'assèchement de l'électrolyte.
Dans une batterie au lithium à l'état solide, une couche SEI se forme rapidement entre le matériau de l'électrode négative et l'électrolyte solide. Bien que la formation de la couche SEI puisse entraver le transport interfacial de la charge, sa bonne isolation électronique peut empêcher la rupture continue de l'électrolyte, contribuant ainsi à améliorer la durée de vie de la batterie.
Large gamme de températures de fonctionnement
Lorsque la température de fonctionnement de la batterie baisse, la viscosité de l'électrolyte liquide augmente, voire se solidifie, ce qui entraîne une diminution rapide de la conductivité des ions lithium. Pour les électrolytes solides, la valeur de conductivité de l'ion lithium diminue linéairement avec la baisse de la température. En outre, l'électrolyte solide présente une bonne stabilité thermique et il n'y aura pas de phénomènes tels que la gazéification de l'électrolyte ou la contraction/fusion du diaphragme dans des conditions de fonctionnement à haute température. Par conséquent, les piles au lithium à l'état solide peuvent fonctionner dans une large gamme de températures.
Les inconvénients des piles au lithium à l'état solide
La conductivité ionique de l'extrémité du matériau est faible
Dans les batteries à l'état solide, l'interface entre l'électrode et l'électrolyte passe d'un contact solide-liquide à un contact solide-solide, et comme la phase solide n'est pas mouillable, la zone de contact est petite et la résistance de l'interface est plus élevée.
Dans le même temps, il existe un grand nombre de joints de grains dans l'électrolyte solide, et la résistance des joints de grains est souvent supérieure à la résistance du matériau, ce qui ne favorise pas la transmission des ions lithium entre les électrodes positives et négatives.
Coût élevé
Le coût des batteries à l'état solide est plus élevé que celui des batteries à l'état liquide, principalement en raison des électrolytes à l'état solide et des électrodes positives et négatives.
L'électrolyte solide est actuellement difficile à diluer. Certaines des matières premières à base de métaux rares utilisées ont un prix relativement élevé. Par exemple, l'électrolyte d'oxyde contient du zirconium, l'électrolyte de sulfure contient du germanium, et les matériaux d'électrode positive et négative hautement actifs utilisés dans la superposition de la haute densité énergétique ne sont pas mûrs.
Le prix de la ceinture composite cuivre-lithium étant de 10 000 yuans/kg, l'état solide impose également des exigences plus strictes en matière de processus de production, de coût et de contrôle de la qualité.
Conclusion
En résumé, les batteries à l'état solide, avec leurs avantages considérables en termes de performances, sont devenues la voie de développement des batteries à haute performance. performance de la batterie dans le futur. Malgré les défis techniques et les problèmes économiques, avec l'accélération de la recherche et du développement au niveau mondial et l'optimisation continue des nouveaux systèmes de matériaux, les batteries à l'état solide devraient trouver des applications commerciales dans un avenir proche, apportant des changements révolutionnaires dans de nombreux domaines.
Tess
Bonjour ! Je suis un rédacteur senior dans l'industrie de l'échange de batteries de véhicules à deux ou trois roues, avec de nombreuses années d'expérience dans l'écriture, engagé à fournir les meilleures connaissances, des services et un ensemble complet de solutions d'échange de batteries pour diverses industries.
Batterie à l'état solide - la vue d'ensemble et le guide ultime
Avec le développement rapide des nouvelles technologies énergétiques, les batteries à l'état solide, en tant que nouveau type de dispositif de stockage d'énergie doté d'un grand potentiel, passent progressivement du laboratoire à l'industrialisation. Elles ont attiré l'attention du monde entier en raison de leur haute densité énergétique, de leurs performances supérieures en matière de sécurité et de leur longue durée de vie.
L'article fournit un guide complet sur la vue d'ensemble, les principes, les avantages et les inconvénients de l'utilisation de l'Internet. batterie à l'état solide.
Qu'est-ce qu'une batterie à l'état solide ?
Une batterie à l'état solide est un type de batterie qui utilise une électrode solide et un électrolyte solide. Le matériau de l'électrode négative de la batterie à l'état solide peut être une électrode négative composite de nano-silicium et de graphite, et le matériau de l'électrode négative de la batterie à l'état solide peut être un matériau d'électrolyte solide. matériaux de cathode Il peut s'agir de manganate de lithium, de matériaux à base de manganate riche en lithium ou de matériaux de cathode sans lithium. L'électrolyte est un électrolyte solide dont la densité énergétique est comprise entre 300 et 450 wattheures/kg.
La batterie à l'état solide utilise des électrolytes solides pour remplacer l'électrolyte et la pile. séparateur de piles au lithiumqui sont plus sûres, ont une densité énergétique plus élevée et une meilleure performance de cyclage, et sont devenues la principale orientation de la recherche et du développement des batteries d'énergie de la prochaine génération.
Sur la base des matériaux électrolytiques, les batteries à l'état solide peuvent être divisées en trois électrolytes : polymère, oxyde, sulfure. En fonction des différents types d'électrodes négatives, les batteries au lithium à l'état solide peuvent être divisées en batteries lithium-ion à l'état solide et en batteries lithium-métal à l'état solide.
Mécanisme de conduction ionique de la batterie à l'état solide
Les électrolytes solides sont généralement divisés en électrolytes solides inorganiques et en électrolytes solides à base de polymères. La migration des ions dans les matériaux cristallins des électrolytes solides inorganiques suit généralement la formule d'Arrhenius, qui dépend de la concentration et de la distribution des défauts dans la structure cristalline. Le mécanisme de diffusion des ions basé sur les défauts ponctuels de Schottky et de Frenkel comprend une simple diffusion de vacance et un mécanisme relativement complexe de bivacance, un mécanisme de lacune et un mécanisme d'échange entre lacune et déplacement.
L'électrolyte polymère solide est généralement une solution solide formée par un mélange uniforme de la matrice polymère et du sel de lithium. Par rapport à l'électrolyte solide inorganique, l'électrolyte solide polymère présente les avantages d'une bonne souplesse, d'une viscosité élevée, d'un faible coût et d'un traitement facile.
Les groupes polaires de l'électrolyte polymère, tels que C = O, C = N, -O -, un S -, etc., peuvent se coordonner avec les ions lithium pour favoriser la dissolution des sels de lithium et produire des ions se déplaçant librement. Actuellement, la plupart des études estiment que le transport d'ions dans les électrolytes polymères se produit principalement dans la région amorphe au-dessus de Tg, de sorte que la capacité de mouvement de ses segments de chaîne est également la clé d'un transport d'ions efficace.
Avantages des piles au lithium à l'état solide
Bonne sécurité
L'électrolyte organique inflammable est complètement abandonné dans la batterie au lithium à l'état solide, ce qui permet d'éliminer les fuites d'électrolyte, la surcharge ou la décharge excessive, la décomposition de l'électrolyte, la gazéification, la combustion et d'autres risques pour la sécurité. La température élevée de décomposition thermique de l'électrolyte solide peut éliminer le risque de déformation ou de décomposition de la membrane polymère en cas d'abus thermique.
En outre, l'électrolyte solide a un module d'Young élevé, en particulier l'électrolyte solide inorganique, ce qui peut réduire le risque d'effets indésirables. court-circuit interne L'électrolyte solide présente une bonne stabilité thermique et une faible réactivité aux électrodes positives et négatives. Il n'est pas facile de produire des réactions en chaîne, ce qui peut réduire le risque d'emballement thermique. Par conséquent, les batteries au lithium à l'état solide présentent des caractéristiques de sécurité élevées.
Densité énergétique élevée
La grande sécurité des électrolytes solides rend possible l'application de l'anode lithium-métal à haute énergie spécifique dans les batteries à l'état solide. La batterie à l'état solide peut réaliser un empilement bipolaire en raison de la non-fluidité de l'électrolyte à l'état solide, ce qui simplifie le processus de fabrication de la batterie à l'état solide. production de batteries et réduit la proportion de composants non électrochimiquement actifs tels que l'emballage extérieur.
En outre, les piles à l'état solide peuvent fonctionner dans une large gamme de températures, ce qui simplifie le système de contrôle de la température. La cathode en lithium métal à haute capacité et la structure compacte de la batterie confèrent aux batteries au lithium à l'état solide des avantages potentiels en termes de densité énergétique.
Densité de puissance élevée
La concentration en ions lithium (1-2 mol dm-3) et le nombre de migration des ions dans l'électrolyte organique liquide sont faibles (environ 0,4-0,5), et le taux de migration insuffisant des anions et des cations entraîne un gradient de concentration des ions lors de la charge et de la décharge dans des conditions de densité de courant élevée, de sorte qu'il n'est pas en mesure d'assurer un transport continu et rapide des ions.
En revanche, les électrolytes solides inorganiques ont généralement une concentration élevée d'ions lithium (environ 35 mol dm-3 dans l'électrolyte Li10GeP2S12) et un nombre de migration ionique élevé (proche de 1), et peuvent encore assurer une conduction ionique continue et rapide lorsqu'ils fonctionnent à une densité de courant élevée. Par conséquent, les batteries au lithium à l'état solide présentent des avantages potentiels en termes de puissance de sortie.
Longue durée de vie
Large gamme de températures de fonctionnement
Les inconvénients des piles au lithium à l'état solide
La conductivité ionique de l'extrémité du matériau est faible
Coût élevé
Le coût des batteries à l'état solide est plus élevé que celui des batteries à l'état liquide, principalement en raison des électrolytes à l'état solide et des électrodes positives et négatives.
L'électrolyte solide est actuellement difficile à diluer. Certaines des matières premières à base de métaux rares utilisées ont un prix relativement élevé. Par exemple, l'électrolyte d'oxyde contient du zirconium, l'électrolyte de sulfure contient du germanium, et les matériaux d'électrode positive et négative hautement actifs utilisés dans la superposition de la haute densité énergétique ne sont pas mûrs.
Le prix de la ceinture composite cuivre-lithium étant de 10 000 yuans/kg, l'état solide impose également des exigences plus strictes en matière de processus de production, de coût et de contrôle de la qualité.
Conclusion
En résumé, les batteries à l'état solide, avec leurs avantages considérables en termes de performances, sont devenues la voie de développement des batteries à haute performance. performance de la batterie dans le futur. Malgré les défis techniques et les problèmes économiques, avec l'accélération de la recherche et du développement au niveau mondial et l'optimisation continue des nouveaux systèmes de matériaux, les batteries à l'état solide devraient trouver des applications commerciales dans un avenir proche, apportant des changements révolutionnaires dans de nombreux domaines.