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.
Table des matières
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 avoir 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, and allows lithium ions to move.
In existing lithium-ion batteries, the main function of the separator is insulation, but it has no other functions. It is completely saturated with liquid electrolyte. The anode is usually made of graphite, and lithium ions move through the electrolyte and are inserted into the crystal structures of the anode and cathode. These structures have gaps inside that can accommodate extremely small lithium ion particles.
Cependant, the internal structure of solid-state batteries is different because all of its components and media are solid.
Solid state batteries consist of the following components:
Anode: Made of lithium metal (pure lithium).
Cathode: Made of the same compound as lithium-ion batteries (such as LFP, NMC, OVM, etc.).
Diaphragme, usually ceramic or solid polymer, is also used as an electrolyte.
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, reducing the weight of electric vehicles and their batteries not only helps to reduce exhaust emissions, but also reduces tire wear and particle release. Solid state batteries can provide excellent basic requirements for it.
Sécurité et durée d'utilisation
Lithium ion batteries contain volatile and flammable liquid electrolytes, which pose a risk of fire. Piles à semi-conducteurs, d'autre part, can withstand higher temperatures and have stronger thermal stability, making them safer.
Due to its smaller size and higher energy density, solid-state batteries can store more energy in a smaller space, which means that using them can improve battery life.
A manufacturer claims that their electric vehicle can travel 745 miles on a single charge.
In terms of charging speed, solid-state batteries are also excellent. Lithium ion batteries in electric vehicles typically take 20 minutes to 12 hours to fully charge, while solid-state batteries can be charged to at least 80% of their capacity in just 10 à 15 minutes.
Solid state batteries also have a longer lifespan and can be charged up to 5 times more than lithium-ion batteries, thereby extending the overall lifespan of the battery. Data comparison shows that Solid state lithium batteries are superior.
Réduire l'empreinte carbone
Solid state batteries use fewer materials and can reduce climate impact by 39% compared to lithium-ion batteries. This means it is also more environmentally friendly and in line with the development concept of carbon neutrality.
Chargement rapide
The latest research has found that the charging speed of solid-state batteries is six times faster than existing lithium-ion charging technologies. But in order to achieve this speed, 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?
Traditional liquid electrolyte lithium batteries must have a considerable volume to power large equipment such as cars. And these batteries have safety hazards, they may expand due to temperature changes or leak when subjected to excessive compression. It should be noted that the liquid inside is flammable.
Everyone has experienced the anxiety of “mobile phone batteries running low” and understands that the issue of battery life during use is also a factor.
Although traditional batteries lithium-ion have improved compared to previous batteries, they still have shortcomings in addressing these issues. Slow charging speed and limited lifespan make them perform poorly in many applications.
And solid-state batteries are gradually solving these problems. They have a smaller volume but larger capacity, lighter weight, 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, car la batterie nécessite une extensibilité flexible lorsque “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, so as to use solid-state batteries in more practical applications.
Research and development in the field of Solid State Batteries are rapidly advancing, and many experts believe that solid-state batteries will eventually become the standard in areas such as electric vehicles.
Conclusion
Many battery industry manufacturers are interested in this promising technology, such as Mercedes Benz, Volkswagen, Toyota, Tesla, etc., and they are investing significant resources in research and development. If technical problems are solved, they will become the first people in the market and thus hold the discourse power. And it is expected to be launched between 2024 et 2026, which is highly anticipated and worth paying attention to.
