Aperçu
Les batteries lithium-ion à semi-conducteurs sont une technologie de batterie émergente qui présente plusieurs avantages significatifs par rapport aux batteries lithium-ion liquide traditionnelles.. Cela fait également des batteries lithium-ion à semi-conducteurs considérées comme la prochaine génération de technologie de batterie.. Bien que les batteries lithium-ion solides présentent encore de nombreux points à améliorer en termes de sécurité, pouvoir, et densité énergétique par rapport aux batteries lithium-ion les plus avancées disponibles aujourd'hui, comme s'appuyer sur la découverte et l'application d'électrolytes solides de haute qualité pour remplacer les solutions liquides actuellement utilisées.
L'industrie des batteries au lithium se développe constamment, mener chaque jour des recherches pour développer des technologies innovantes de plus en plus performantes afin que ce produit ait plus de portée, une plus grande puissance, et temps de charge plus court.
En ce sens, la technologie des batteries à semi-conducteurs semble être la dernière frontière de la technologie, et cette solution émergente a un grand potentiel pour devenir l'avenir des véhicules électriques. Il présente une série d’énormes avantages, mais aussi de nombreuses limitations qui retardent son entrée sur le marché.
Qu'est-ce qu'une batterie lithium-ion à semi-conducteurs?
Réponse directe: Les deux sont des piles au lithium, mais ce serait mieux.
Leurs principes de fonctionnement sont les mêmes, sauf qu'il n'y a aucun composant liquide à l'intérieur de la batterie au lithium solide. Dans les batteries lithium-ion traditionnelles, l'électrolyte est liquide. Il est généralement composé de sels de lithium (comme LiPF 6, LiBF 4, ou LiClO 4) dissous dans des solvants organiques (comme le carbonate d'éthylène, carbonate de diméthyle, etc.). Il y a un composant liquide appelé électrolyte dans la batterie d'un smartphone, qui permet aux ions lithium de circuler librement et d'alimenter votre appareil après le chargement. Cela entraîne également un phénomène appelé fuite de liquide lorsque vous faites tomber votre téléphone..
Batterie à semi-conducteurs vs lithium-ion: Révéler les différences
Dans le développement du stockage d’énergie par batterie, deux concurrents majeurs se disputent la première place: batteries à semi-conducteurs et batteries lithium-ion. Ces batteries puissantes alimentent nos systèmes d'électronique grand public et d'énergie renouvelable.. Avec l'émergence de batterie à semi-conducteurs technologie, l'industrie des batteries connaît une révolution technologique, remettre en question la position dominante des batteries lithium-ion.
Mais quelle est la principale différence entre les batteries à semi-conducteurs et les batteries lithium-ion ??
Comme mentionné précédemment, la principale différence réside dans leur composition électrolytique, ce qui ressort également de leurs noms. En plus, nous pouvons en apprendre davantage. On peut aussi comprendre comme, pourquoi étudier les batteries au lithium à l'état solide? Quels sont ses avantages?
Densité énergétique
Batteries lithium-ion à semi-conducteurs： Ce type de batterie peut contenir presque deux fois plus d’énergie que les batteries lithium-ion liquide, surtout lors du remplacement des matériaux d'anode par des matériaux plus petits.
Batterie aux ions lithium：La capacité des batteries lithium-ion composées de différentes matières premières chimiques peut varier, mais comparé aux batteries à semi-conducteurs, leur densité énergétique est plus faible.
Matériau électrolytique
L'électrolyte d'une batterie est un mélange chimique conducteur qui permet aux ions métalliques de circuler entre l'anode et la cathode., entraînant des réactions électrochimiques.
La principale différence entre les batteries lithium-ion courantes et les batteries au lithium solide sur le marché est que les premières utilisent un électrolyte liquide pour réguler le courant., tandis que les batteries à semi-conducteurs choisissent un électrolyte solide.
Batteries lithium-ion à semi-conducteurs: L'utilisation d'électrolytes solides au lieu de liquides entraîne un poids global plus léger et une densité énergétique plus élevée.. Cela présentera également certains avantages en termes de poids dans certains modes de transport..
Batterie aux ions lithium: Des réactions électrochimiques se produisent dans les électrolytes liquides, provoquant la circulation des ions lithium entre la cathode et l'anode.
Les batteries lithium-ion ont différents types chimiques, et il y a aussi des différences entre eux. Il y a des LCO, OVM, LFP, ANC, LTO, et ainsi de suite. Vous pouvez lire cet article intitulé «6 Types chimiques de batteries lithium-ion parmi lesquels vous pouvez choisir«Pour obtenir une compréhension plus détaillée.
Sécurité des batteries au lithium
Piles au lithium à semi-conducteurs: Les électrolytes solides réduisent le risque d'accidents thermiques, les rendant plus sûrs, non seulement dans le transport mais aussi dans l'utilisation.
Batterie aux ions lithium: Facile à rencontrer des problèmes de sécurité tels que la surchauffe, expansion, et le feu, présentant un plus grand risque que les batteries au plomb.
Combien de temps dure la batterie au lithium
Piles au lithium à semi-conducteurs: Les électrolytes solides ont une plus grande stabilité et une réactivité plus faible que les liquides, ce qui entraîne une durée de vie relativement plus longue.
Batterie aux ions lithium: Le nombre de fois qu'une batterie peut être chargée est limité dans une certaine plage. Les batteries lithium-ion liquide ont des exigences de température légèrement plus élevées, et la température ambiante pour le chargement, décharger, et l'utilisation est généralement indiquée. Sa durée de vie est plus courte que celle des batteries à semi-conducteurs.
Structure des batteries à semi-conducteurs
Chaque batterie lithium-ion possède:
Deux électrodes, qui sont des composés capables d'accepter les ions lithium intégrés dans leur structure.
La cathode fait référence à l'électrode positive d'une batterie constituée de matériaux cathodiques tels que le LFP, NMC, OVM, etc..
L'anode fait référence à l'électrode négative d'une batterie constituée d'un matériau anodique (tels que des substances non actives comme le carbone ou le graphite).
La cloison centrale, qui est une fine couche de polymère plastique (polyéthylène ou polypropylène), sert de cloison entre l'anode et la cathode, ainsi qu'un isolant.
Électrolyte: un milieu pour le mouvement des ions; Liquides organiques contenant des sels de lithium. L'électrolyte remplit tout le volume à l'intérieur de la batterie, immerge les électrodes, et permet aux ions de lithium de se déplacer.
Dans les batteries lithium-ion existantes, La fonction principale du séparateur est l'isolation, Mais il n'a pas d'autres fonctions. Il est complètement saturé d'électrolyte liquide. L'anode est généralement en graphite, et les ions lithium se déplacent à travers l'électrolyte et sont insérés dans les structures cristallines de l'anode et de la cathode. Ces structures ont des lacunes à l'intérieur qui peuvent accueillir des particules de lithium extrêmement petites.
Cependant, La structure interne des batteries à semi-conducteurs est différente car tous ses composants et médias sont solides.
Les batteries à l'état solide sont composées des composants suivants:
Anode: En métal lithium (lithium pur).
Cathode: Fabriqué du même composé que les batteries lithium-ion (comme LFP, NMC, OVM, etc.).
Diaphragme, généralement en céramique ou en polymère solide, est également utilisé comme électrolyte.
La couche grise au milieu est un séparateur solide, qui sert non seulement de séparateur entre l'anode et la cathode, mais aussi comme électrolyte.
Donc, c'est à la fois un moyen de mouvement des ions et une fonction d'isolation électrique, servant de membrane mécanique entre l'anode et la cathode. Ce support robuste et durable permet de retirer la structure graphite de l'anode, garantissant que le lithium métallique s'accumule directement sur l'anode. En outre, il existe des solutions semi-solides, dans lequel l'électrolyte est une substance semblable à un gel.
On peut voir que le concept de batteries à semi-conducteurs est supérieur en termes d'application spatiale et matérielle des électrolytes et des séparateurs..
Comment fonctionnent les batteries lithium-ion à semi-conducteurs?
Le principe de fonctionnement des batteries à semi-conducteurs est très similaire à celui des batteries lithium-ion traditionnelles., sauf qu'ils utilisent des électrolytes solides au lieu d'électrolytes liquides à travers lesquels circulent les ions lithium. Le plus grand avantage de cette méthode est que les batteries à semi-conducteurs ne présentent pas tous les risques de sécurité des électrolytes liquides..
Mais le principe de fonctionnement de base est le même. Dans les batteries à semi-conducteurs, Le lithium pur s'accumule au niveau de l'électrode positive de la batterie, puis s'écoule de l'électrode négative vers l'électrode positive pendant la décharge, s'accumulant sous forme de métal au lieu de contenir des électrodes d'oxyde métallique comme les batteries à électrolyte liquide standard. Cette fonctionnalité rend non seulement la batterie plus sûre, mais permet également d'économiser beaucoup d'espace.
Quels sont les avantages des batteries à semi-conducteurs?
Taille du produit
Les électrolytes solides ont remplacé les séparateurs des batteries lithium-ion traditionnelles, prenant moins de place et les rendant plus légères que les batteries lithium-ion ordinaires. La percée technologique a le potentiel d’être appliquée à des domaines tels que les avions et les camions pour le transport..
Poids de la batterie
Le lithium est l'élément métallique le plus léger, ce qui permet aux anodes au lithium métallique des batteries à semi-conducteurs de fournir une densité énergétique plus élevée dans des boîtiers plus petits. De cette façon, les batteries à semi-conducteurs sont devenues une option légère.
Par exemple, alors que la taille des véhicules électriques continue de croître, la capacité de la batterie requise augmente également afin de maintenir les données d'autonomie, ce qui pose également le problème de l'augmentation du poids. Parce que l'augmentation du poids entraînera une usure accrue des pneus, ce qui entraîne davantage de polluants particulaires. Donc, La réduction du poids des véhicules électriques et leurs batteries aident non seulement à réduire les émissions d'échappement, mais réduit aussi l'usure des pneus et la libération des particules. Les batteries à l'état solide peuvent lui fournir d'excellentes exigences de base.
Sécurité et durée d'utilisation
Les batteries au lithium contiennent des électrolytes liquides volatils et inflammables, qui présentent un risque de feu. Piles à semi-conducteurs, d'autre part, peut résister à des températures plus élevées et avoir une stabilité thermique plus forte, fabrication ils sont plus sûrs.
En raison de sa taille plus petite et de sa densité d'énergie plus élevée, Les batteries à semi-conducteurs peuvent stocker plus d'énergie dans un espace plus petit, ce qui signifie que les utiliser peut améliorer la durée de vie de la batterie.
Un fabricant prétend que son véhicule électrique peut voyager 745 Miles sur une seule charge.
En termes de vitesse de charge, Les batteries à semi-conducteurs sont également excellentes. Les batteries au lithium ion dans les véhicules électriques prennent généralement 20 À quelques minutes de 12 heures pour charger entièrement, tandis que les batteries à semi-conducteurs peuvent être chargées au moins 80% de leur capacité dans juste 10 à 15 minutes.
Les batteries à l'état solide ont également une durée de vie plus longue et peuvent être chargées 5 fois plus que les batteries lithium-ion, prolongeant ainsi la durée de vie globale de la batterie. La comparaison des données montre que les batteries au lithium à l'état solide sont supérieures.
Réduire l'empreinte carbone
Les batteries à l'état solide utilisent moins de matériaux et peuvent réduire l'impact climatique 39% par rapport aux batteries lithium-ion. Cela signifie qu'il est également plus respectueux de l'environnement et conforme au concept de développement de la neutralité du carbone.
Chargement rapide
Les dernières recherches ont révélé que le Vitesse de charge des batteries à semi-conducteurs est six fois plus rapide que les technologies de charge lithium-ion existantes. Mais pour atteindre cette vitesse, certains autres indicateurs de performance clés peuvent être sacrifiés, une optimisation supplémentaire est donc nécessaire.
Cependant, il peut être confirmé que les électrolytes liquides sont sujets à des dommages à haute température, tandis que les électrolytes solides fonctionnent mieux à haute température. Cela signifie que les batteries à semi-conducteurs peuvent mieux fonctionner lors d'une charge rapide et d'une génération de chaleur., et peuvent également être considérés comme ne perdant pas leurs propres performances en termes de génération de chaleur.
Pourquoi en avons-nous besoin?
Grâce à l'introduction des batteries au lithium-ion à semi-conducteurs, analyse des différences entre la batterie à semi-conducteurs et la batterie au lithium-ion, et les avantages de la batterie à semi-conducteurs, nous avons acquis une compréhension globale.
Pourquoi en avons-nous besoin?
Les batteries traditionnelles d'électrolyte liquide au lithium doivent avoir un volume considérable pour alimenter les grands équipements tels que les voitures. Et ces batteries ont des risques de sécurité, Ils peuvent se développer en raison de changements de température ou de fuite lorsqu'ils sont soumis à une compression excessive. Il convient de noter que le liquide à l'intérieur est inflammable.
Tout le monde a connu l'anxiété des «batteries de téléphonie mobile qui coulent» et comprend que le problème de la durée de vie de la batterie pendant l'utilisation est également un facteur.
Bien que traditionnel batteries lithium-ion se sont améliorés par rapport aux batteries précédentes, Ils ont encore des lacunes pour résoudre ces problèmes. La vitesse de charge lente et la durée de vie limitée les font mal fonctionner dans de nombreuses applications.
Et les batteries à semi-conducteurs résolvent progressivement ces problèmes. Ils ont un volume plus petit mais une plus grande capacité, poids plus léger, et une sécurité accrue. La vitesse de charge est plus rapide et la durée de vie est plus longue, il peut donc grandement compenser les défauts des batteries au lithium traditionnelles. C'est aussi pourquoi nous en avons besoin.
Quand est-ce que nous pouvoir voir les batteries lithium-ion à semi-conducteurs
La technologie du solide a été utilisée en petites quantités dans les domaines suivants:
Batteries adaptées pour travailler dans des climats adaptés
Batterie pour applications aérospatiales
Batterie semi-solide ou hybride solide.
Un constructeur automobile chinois a récemment lancé 50 voitures équipées de batteries semi-solides
Mais les batteries à semi-conducteurs sont encore en développement, et il reste encore quelques défis à relever pour pouvoir l'appliquer commercialement à grande échelle..
Coût
Maintenant, le coût de production des batteries à semi-conducteurs est plus élevé que celui des batteries lithium-ion ordinaires car elles utilisent des matériaux plus coûteux et le processus de production est plus complexe. Généralement, les technologies des marchés matures sont optimisées avant d’être mises en service, donc c'est toujours un processus en cours.
Augmenter
La majeure partie du développement des batteries à semi-conducteurs est encore au stade du laboratoire., et les batteries à semi-conducteurs sont considérées comme plus sûres que les batteries traditionnelles. Cependant, le problème du risque de court-circuit causé par la croissance semblable à une aiguille métallique au lithium doit encore être étudié et résolu de toute urgence. Entre-temps, comment étendre l'échelle de production est également un sujet de recherche en cours.
Problèmes de stabilité
Les batteries à semi-conducteurs ressemblent à une respiration pendant le processus de charge et de décharge.. Les anodes en lithium métal deviennent plus épaisses pendant la charge et plus fines pendant la décharge. Le principal problème réside dans la manière de maintenir simultanément son état fixe et compressé..
La batterie doit rester comprimée pour garantir que les couches internes ne se séparent pas, mais il ne suffit pas de le fixer simplement à la coque extérieure, Comme la batterie nécessite une étirement flexible lors de la «respiration».
Donc, il faut concevoir une structure mécanique complexe. L'utilisation de ressorts pour maintenir la flexibilité de tous les composants lors de la compression, mais ce système mécanique est complexe et coûteux, ce qui rend difficile la production en masse.
En raison de la composition des batteries à semi-conducteurs, l’expansion ne peut être complètement évitée. En menant des recherches pour réduire la demande de pression, les batteries peuvent maintenir leur stabilité à des pressions plus basses ou utiliser des matériaux plus avancés pour répondre à la demande. Ce sera une direction clé pour le développement technologique futur.
Séparateurs et température
Les ions sont des substances qui sont en réalité des atomes chargés, les rendant plus faciles à déplacer dans les liquides. Permettre aux ions de se déplacer librement dans les solides, séparateurs (comme les séparateurs en céramique) doit avoir des composants spéciaux. Maintenant, nous disposons d'électrolytes solides de haute performance, mais ces électrolytes ne fonctionnent pas bien à température ambiante. Ils ne peuvent devenir de bons conducteurs qu'à des températures supérieures à 50 degrés Celsius.
Cela impose des limites à l'application pratique des batteries à semi-conducteurs, car les batteries des véhicules ne peuvent pas maintenir indéfiniment des températures élevées.
Lorsque la température des batteries à semi-conducteurs n'est pas élevée, leurs performances diminueront considérablement. Donc, des recherches supplémentaires sont nécessaires pour garantir que les électrolytes solides peuvent également fonctionner correctement à basse température, afin d'utiliser des batteries à semi-conducteurs dans des applications plus pratiques.
La recherche et le développement dans le domaine des batteries à l'état solide avancent rapidement, Et de nombreux experts croient que les batteries à semi-conducteurs deviendront éventuellement la norme dans des zones telles que les véhicules électriques.
Conclusion
De nombreux fabricants de l'industrie des batteries sont intéressés par cette technologie prometteuse, comme Mercedes Benz, Volkswagen, Toyota, Tesla, etc., Et ils investissent des ressources importantes dans la recherche et le développement. Si les problèmes techniques sont résolus, Ils deviendront les premiers personnes sur le marché et tiendront ainsi le pouvoir du discours. Et il devrait être lancé entre 2024 et 2026, qui est très attendu et qui vaut la peine de prêter attention.
