Eingehende Analyse der Batterietechnologie: Ein mehrdimensionaler Vergleich von Semi-Solid-State-Batterien und ternären NMC-Lithiumbatterien

In der aktuellen Landschaft der Batterietechnologie, halbfester Zustand Batterien und ternäre Lithiumbatterien sind zwei hoch angesehene "Stars", die von den Herstellern von Endgeräten häufig gewählt werden. Obwohl beide dem gemeinsamen Ziel dienen, Geräte mit Strom zu versorgen, unterscheiden sie sich in mehreren Schlüsselbereichen erheblich. Welche inhärenten Faktoren prägen ihre einzigartigen Eigenschaften und lenken sie auf unterschiedliche technologische und anwendungsbezogene Pfade? In diesem Artikel wird das Team von Grepow eine facettenreiche Analyse durchführen, die Sie über die Oberfläche hinaus zu einem tiefen Verständnis der grundlegenden Unterschiede zwischen Semi-Solid-State-Batterien und ternären Lithiumbatterien führt.

1. Was sind Semi-Solid-State-Batterien und ternäre Lithiumbatterien?

Semi-Solid-State-Batterien

Definition: Semi-Solid-State-Batterien stellen eine Hybridtechnologie zwischen herkömmlichen Flüssigbatterien und Festkörperbatterien dar. Ihre Elektrodenmaterialien sind teilweise oder vollständig fest, während der Elektrolyt eine Mischung aus festen und flüssigen Elektrolyten oder eine gelartige Substanz mit einem gewissen Anteil an flüssigem Elektrolyt ist. Strukturelle Merkmale: Die Struktur von Semi-Solid-State-Batterien ähnelt der von herkömmlichen Flüssigbatterien, unterscheidet sich jedoch in der Zusammensetzung und Verteilung von Elektroden und Elektrolyten. Für die Elektroden werden in der Regel hochnickelhaltige Multielementmaterialien oder lithiumreiche Materialien auf Manganbasis als Kathode und Kohlenstoff-Silizium-Anoden als Anode verwendet, wodurch die Energiedichte und die Lade-Entladeleistung verbessert werden. Der Elektrolyt kombiniert Festelektrolyte mit hoher Ionenleitfähigkeit und Stabilität - wie Oxide oder Sulfide - mit einer geringen Menge an flüssigem Elektrolyt zur Verbesserung der Ionentransporteffizienz.

Ternäre Lithium-Batterien

Definition: Ternäre Lithiumbatterien sind Lithium-Ionen-Batterien mit Kathoden, die aus Nickel, Mangan und Kobalt bestehen.

Strukturelle Merkmale: Ternäre Lithiumbatterien werden in der Regel in einem laminierten Pouch-Zellenverfahren hergestellt und bieten eine hohe Energiedichte und eine gute Lade-Entladeleistung. Das Kathodenmaterial ist eine ternäre Verbindung, während für die Anode häufig Graphit- oder Silizium-Kohlenstoff-Anoden verwendet werden, um die Kapazität und die Lade-Entlade-Effizienz zu erhöhen.

2. Wie unterscheiden sich die Zyklenlebensdauern von Semi-Solid-State- und Ternär-Lithium-Batterien?

Unterschiede in der Zyklus-Lebensdauer-Reichweite

• Semi-Solid-State-Zellen können eine Zykluslebensdauer von über 2.000 Zyklen erreichen, mit Energiedichten von 280-350 Wh/kg und einer potenziellen Verbesserung der Zykluslebensdauer um 10%.

• Die ternären Lithiumbatterien von NMC haben im Allgemeinen eine Lebensdauer von etwa 1.000 Zyklen und behalten nach 1.000 Zyklen eine Kapazität von über 80%.

Faktoren, die die Lebensdauer des Zyklus beeinflussen

• Semi-Solid-State-Batterien: Die Verwendung von halbfesten Elektrolyten sorgt für einen stabileren Kontakt zwischen Elektroden und Elektrolyten, wodurch die Ablösung von Elektrodenmaterial und Nebenreaktionen während der Lade-/Entladezyklen verringert und somit die Lebensdauer verlängert wird. Darüber hinaus minimiert die chemische und thermische Stabilität von halbfesten Elektrolyten die Probleme der Zersetzung oder des Abbaus während der Zyklen, was die Langlebigkeit der Batterie weiter erhöht.

• Ternäre Lithium-Batterien: Bei herkömmlichen Flüssig-Lithium-Ionen-Batterien reagiert der flüssige Elektrolyt über längere Zyklen hinweg kontinuierlich mit den Elektrodenmaterialien, was zu strukturellen Schäden und Leistungseinbußen führt. Der hohe Nickelgehalt in ternären Materialien macht die Kathode anfällig für strukturelle Veränderungen - wie z. B. den Übergang von einer Schicht- zu einer Spinellstruktur - während der Ladung/Entladung, was die elektrochemische Leistung verschlechtert und die Lebensdauer beeinträchtigt.

Auswirkungen der Lebensdauer auf praktische Anwendungen

• Semi-Solid-State-Batterien: Ihre verlängerte Lebensdauer eignet sich für Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Batterielebensdauer, wie z. B. für Drohnen, Elektrofahrzeuge und Energiespeicherstationen. Bei Elektrofahrzeugen bedeutet eine lange Zykluslebensdauer, dass die Batterie während der gesamten Lebensdauer des Fahrzeugs ihre Leistung beibehalten kann, wodurch sich die Reichweite verringert und die Häufigkeit des Austauschs reduziert, was wiederum die Kosten für den Nutzer senkt.

• Ternäre Lithium-Batterien: Obwohl ihre Lebensdauer kürzer ist, sind sie bei kostensensiblen Anwendungen mit weniger strengen Anforderungen an die Lebensdauer weiterhin von Vorteil. So kann beispielsweise Unterhaltungselektronik mit kürzeren Nutzungszyklen - sie wird in der Regel innerhalb weniger Jahre ausgetauscht - die Leistungsanforderungen während ihres Lebenszyklus erfüllen, während die relativ geringeren Kosten die Wettbewerbsfähigkeit auf dem Markt verbessern.

3. Warum sind Semi-Solid-State-Batterien im Allgemeinen sicherer als ternäre Lithiumbatterien?

Thermische Stabilität

• Semi-Solid-State-Batterien: Semi-Solid-Batterien, die eine Mischung aus festen Elektrolyten oder festen und flüssigen Elektrolyten verwenden, profitieren von der hohen thermischen Stabilität der festen Elektrolyte, die nicht flüchtig und nicht entflammbar sind. Sie behalten ihre Leistung auch bei hohen Temperaturen und verringern das Risiko eines thermischen Durchgehens. Ein Beispiel: Ein halbfestes Batterieprodukt, bei dem die In-situ-Härtungstechnologie für ein Polymergerüst zum Einsatz kommt, weist eine ausgezeichnete Sicherheit auf, da es selbst bei Hochtemperaturtests nicht zu Bränden oder Explosionen kam.

• Ternäre Lithium-Batterien: Da ternäre Lithiumbatterien mit flüssigen Elektrolyten arbeiten, haben sie eine geringere thermische Stabilität. Bei hohen Temperaturen kann sich der Elektrolyt zersetzen oder verflüchtigen, wodurch Hitze und Gase entstehen, die die Wahrscheinlichkeit eines thermischen Durchgehens erhöhen und Brände oder Explosionen auslösen können.

Unterdrückung des Wachstums von Lithium-Dendriten

• Semi-Solid-State-Batterien: Feste Elektrolyte bieten mechanische Festigkeit, um das Wachstum und Eindringen von Lithium-Dendriten wirksam zu unterdrücken. Lithium-Dendriten, eine der Hauptursachen für interne Kurzschlüsse, werden durch halbfeste Batterien abgeschwächt, was die Sicherheit erhöht. Unternehmen wie Qingtao Energy haben halbfeste Batterien mit festen Elektrolyten entwickelt, die die Bildung von Dendriten verhindern und einen sicheren Betrieb gewährleisten.

• Ternäre Lithium-Batterien: Während der Lade-/Entladezyklen können Lithium-Ionen in ternären Batterien Dendriten auf der Anodenoberfläche bilden. Wenn diese ausreichend wachsen, können sie den Separator durchdringen, Kurzschlüsse verursachen und einen thermischen Durchschlag auslösen.

Überladungstoleranz

• Semi-Solid-State-Batterien: Einige halbfeste Batterien weisen eine gute Überladungstoleranz auf. Die Verwendung von Festelektrolyten kann übermäßige Redoxreaktionen beim Überladen begrenzen und so Risiken wie Aufblähung oder Entzündung durch Überladung verringern.

• Ternäre Lithium-Batterien: Durch das Vorhandensein von flüssigen Elektrolyten in ternären Batterien kommt es bei Überladung zu intensiven chemischen Reaktionen, bei denen erhebliche Hitze und Gase entstehen. Dieser schnelle Anstieg des Innendrucks erhöht die Explosionsgefahr.

Widerstandsfähigkeit gegen Druck und Durchstich

• Semi-Solid-State-Batterien: Einige halbfeste Batterien sind aufgrund ihrer inneren Struktur und ihrer Materialien besonders widerstandsfähig gegen Druck und Durchschlag. Die halbfesten Batterien von BAK Battery schneiden beispielsweise bei Nageldurchdringungstests hervorragend ab und zeigen kein Feuer, keine Explosion und kein Auslaufen - ein entscheidender Faktor für die Vermeidung von Sicherheitsvorfällen bei äußeren Einwirkungen.

• Ternäre Lithium-Batterien: Bei Flüssigbatterien besteht die Gefahr, dass der Separator reißt oder die Elektroden berührt werden, wenn sie zusammengedrückt oder durchstochen werden, was zu Kurzschlüssen und thermischem Durchgehen führt.

4. Faktoren, die die Sicherheit von Semi-Solid-State-Batterien beeinflussen

Elektrolyt-System

• Festelektrolytgehalt und Leistung: Menge und Qualität des Festelektrolyten sind für die Sicherheit der Batterie von entscheidender Bedeutung. Ein zu geringer Anteil an Festelektrolyt isoliert Kathode und Anode nicht und birgt die Gefahr von Kurzschlüssen, während ein zu großer Anteil die Effizienz des Ionentransports und damit die Leistung beeinträchtigen kann. Festelektrolyte mit hoher Ionenleitfähigkeit und thermischer Stabilität - wie Elektrolyte auf Oxidbasis - erhöhen die Sicherheit bei hohen Temperaturen und gewährleisten gleichzeitig eine normale Ladung/Entladung.

• Restflüssigkeit Elektrolyt: Obwohl der Flüssigelektrolyt in halbfesten Batterien im Vergleich zu herkömmlichen Flüssigbatterien geringer ist, muss er streng kontrolliert werden. Ein Auslaufen während der Nutzung kann zu Kurzschlüssen oder Korrosion führen und die Sicherheit beeinträchtigen. Unter extremen Bedingungen wie hohen Temperaturen oder Überladung kann sich der Elektrolyt zersetzen und Gas entwickeln, wodurch der Innendruck und das Explosionsrisiko steigen.

Elektrodenmaterialien

• Kathoden-Materialien: Die Stabilität und Sicherheit von Kathodenmaterialien hat einen erheblichen Einfluss auf die Sicherheit von Batterien insgesamt. Hochnickelkathoden bieten eine hohe Energiedichte, sind aber anfällig für strukturelle Veränderungen und thermische Zersetzung bei hohen Temperaturen oder Überladung, wodurch Sauerstoff freigesetzt wird und Brand- oder Explosionsrisiken entstehen. Die Modifizierung oder Beschichtung von Hochnickelkathoden zur Verbesserung der thermischen und strukturellen Stabilität ist entscheidend für die Sicherheit.

• Anoden-Materialien: Auch die Wahl der Anode beeinflusst die Sicherheit. Anoden auf Siliziumbasis beispielsweise dehnen sich während der Ladung/Entladung erheblich aus, was zu einer Pulverisierung und Ablösung der Elektrode führen kann, was sich auf die Lebensdauer und die Sicherheit auswirkt. Lithium-Metall-Anoden können trotz ihrer hohen theoretischen Kapazität in der Praxis Dendriten bilden, die Separatoren oder Festelektrolyte durchstoßen und interne Kurzschlüsse verursachen.

Herstellungsprozess der Batterie

• Grenzflächenkompatibilität zwischen Elektrolyt und Elektroden: Bei der Produktion ist die Gewährleistung einer guten Grenzflächenkompatibilität zwischen Festelektrolyten und Elektrodenmaterialien für einen reibungslosen Ionentransport von entscheidender Bedeutung. Eine schlechte Kompatibilität erhöht den Grenzflächenwiderstand, erzeugt Wärme beim Laden und Entladen und beeinträchtigt die Sicherheit und Lebensdauer.

• Verkapselungsprozess: Die Qualität der Batteriekapselung steht in direktem Zusammenhang mit der Dichtigkeit und Sicherheit. Eine wirksame Verkapselung verhindert das Eindringen von Feuchtigkeit oder Sauerstoff von außen und beugt so Korrosion oder Schäden an Elektroden und Elektrolyten vor. Sie muss auch eine mechanische Festigkeit aufweisen, um Druck oder Stößen während des Gebrauchs standzuhalten und so strukturelle Schäden und Sicherheitsrisiken zu vermeiden.

Batterie-Management-System

• Schutz vor Überladung und Überentladung: Der Überladungs- und Überentladungsschutz im Batteriemanagementsystem (BMS) ist entscheidend für die Sicherheit von halbfesten Batterien. Eine Überladung löst irreversible chemische Reaktionen aus, die Wärme und Gase erzeugen, die die Temperatur und den Druck erhöhen und somit ein Sicherheitsrisiko darstellen. Wirksame Schutzmechanismen unterbrechen die Ladekreise, um eine Überladung zu verhindern.

• Thermisches Management: Die beim Laden und Entladen entstehende Wärme kann die Batterie überhitzen und die Leistung und Sicherheit beeinträchtigen, wenn sie nicht wirksam abgeleitet wird. BMS-Wärmemanagementmodule mit Lüftern oder Kühlrohren sorgen dafür, dass die Batterie innerhalb eines sicheren Temperaturbereichs arbeitet, was die Langlebigkeit und Sicherheit erhöht.

Nutzungsumgebung und -bedingungen

• Temperatur: Extrem hohe oder niedrige Temperaturen beeinträchtigen die Sicherheit halbfester Batterien. Hohe Temperaturen beschleunigen die chemischen Reaktionen und bergen das Risiko eines thermischen Durchgehens, während niedrige Temperaturen die Lade-Entlade-Effizienz verringern, was die Elektroden beschädigen und die Lebensdauer und Sicherheit beeinträchtigen kann. Maßnahmen wie verstärkte Kühlung bei hohen Temperaturen oder Vorheizen bei niedrigen Temperaturen sind notwendig.

• Externe Auswirkungen: Druck, Stöße oder Pannen während des Gebrauchs können die internen Strukturen beschädigen und Kurzschlüsse oder Lecks verursachen. Bei der Entwicklung und Herstellung von Batterien muss die Widerstandsfähigkeit gegen äußere Einwirkungen im Vordergrund stehen - mit hochfesten Gehäusen und optimierten inneren Strukturen, um die Sicherheit zu gewährleisten.

Schlussfolgerung

Im Bereich der Batterietechnologie haben Semi-Solid-State- und ternäre Lithiumbatterien jeweils ihre Stärken und eignen sich für unterschiedliche Geräte mit spezifischen Anforderungen. Newbettercell, mit mehr als 20 Jahren Erfahrung in der wiederaufladbaren F&E und Herstellung von Batterienproduziert Semi-Solid-State-Batterien mit Spannungsoptionen von 4S (14,8V) bis 18S (68,4V) und Kapazitäten bis zu 84Ah. Unsere vielfältige Produktpalette eignet sich für verschiedene Anwendungsszenarien. Bei Fragen oder speziellen Anforderungen können Sie uns über den Online-Kundendienst, per Telefon oder per Nachricht kontaktieren - wir werden Ihnen umgehend mit engagiertem Support antworten.