Analyse approfondie de la technologie des batteries : Comparaison multidimensionnelle des batteries à l'état semi-solide et des batteries au lithium ternaires NMC

Dans le paysage actuel de la technologie des batteries, état semi-solide et les piles ternaires au lithium sont deux "vedettes" très appréciées, fréquemment choisies par les fabricants d'appareils destinés aux utilisateurs finaux. Bien qu'elles aient toutes deux pour objectif commun d'alimenter des équipements, elles diffèrent considérablement sur plusieurs points essentiels. Quels sont les facteurs intrinsèques qui façonnent leurs caractéristiques uniques et les orientent vers des voies technologiques et applicatives distinctes ? Dans cet article, l'équipe de Grepow se penchera sur une analyse à multiples facettes, vous guidant au-delà de la surface pour acquérir une compréhension profonde des différences fondamentales entre les batteries semi-solides et les batteries ternaires au lithium.

1. Que sont les piles à l'état semi-solide et les piles au lithium ternaires ?

Piles à l'état semi-solide

Définition: Les batteries à l'état semi-solide représentent une technologie hybride entre les batteries traditionnelles à liquide et les batteries à l'état totalement solide. Leurs électrodes sont partiellement ou entièrement solides, tandis que l'électrolyte est un mélange d'électrolytes solides et liquides ou une substance gélifiée contenant une certaine quantité d'électrolyte liquide. Caractéristiques structurelles: La structure des batteries semi-solides ressemble à celle des batteries liquides traditionnelles, mais diffère par la composition et la distribution des électrodes et des électrolytes. Les électrodes utilisent généralement des matériaux multiéléments à forte teneur en nickel ou des matériaux à base de manganèse riche en lithium comme cathode, et des anodes en carbone-silicium comme anode, ce qui améliore la densité énergétique et les performances de charge et de décharge. L'électrolyte combine des électrolytes solides à conductivité ionique et stabilité élevées, tels que des oxydes ou des sulfures, avec une petite quantité d'électrolyte liquide pour améliorer l'efficacité du transport des ions.

Piles au lithium ternaires

Définition: Les piles au lithium ternaires sont des piles au lithium-ion dont les cathodes sont composées de nickel, de manganèse et de cobalt.

Caractéristiques structurelles: Les batteries ternaires au lithium sont généralement fabriquées à l'aide d'un processus de cellule à poche laminée, offrant une densité énergétique élevée et de bonnes performances de charge-décharge. Le matériau de la cathode est un composé ternaire, tandis que l'anode utilise souvent du graphite ou du silicium-carbone pour augmenter la capacité et l'efficacité de la charge-décharge.

2. Quelle est la différence entre les durées de vie des piles au lithium à l'état semi-solide et des piles au lithium ternaires ?

Différences dans les durées de vie des cycles

  • Les cellules à l'état semi-solide peuvent atteindre une durée de vie supérieure à 2 000 cycles, avec des densités d'énergie allant de 280 à 350 Wh/kg et une amélioration potentielle de 10% de la durée de vie.

  • Les piles ternaires au lithium NMC offrent généralement une durée de vie d'environ 1 000 cycles, conservant une capacité de plus de 80% après 1 000 cycles.

Facteurs influençant la durée du cycle

  • Piles à l'état semi-solide: L'utilisation d'électrolytes semi-solides assure un contact plus stable entre les électrodes et les électrolytes, ce qui réduit le détachement des matériaux des électrodes et les réactions secondaires pendant les cycles de charge-décharge, prolongeant ainsi la durée de vie des cycles. En outre, la stabilité chimique et thermique des électrolytes semi-solides minimise les problèmes de décomposition ou de dégradation pendant les cycles, ce qui améliore encore la longévité de la batterie.

  • Piles au lithium ternaires: Dans les batteries lithium-ion liquides traditionnelles, l'électrolyte liquide réagit continuellement avec les matériaux d'électrode au cours de cycles prolongés, ce qui entraîne des dommages structurels et une baisse des performances. La teneur élevée en nickel des matériaux ternaires rend la cathode sujette à des changements structurels - tels que la transition d'une structure en couches à une structure spinelle - au cours de la charge-décharge, ce qui dégrade les performances électrochimiques et a un impact sur la durée de vie du cycle.

Impact de la durée de vie sur les applications pratiques

  • Piles à l'état semi-solide: Leur durée de vie prolongée convient aux applications exigeant une grande longévité des batteries, telles que l'économie à basse altitude (drones), les véhicules électriques (VE) et les stations de stockage d'énergie. Dans les VE, une longue durée de vie signifie que la batterie peut maintenir ses performances pendant toute la durée de vie du véhicule, ce qui réduit la dégradation de l'autonomie et la fréquence de remplacement, diminuant ainsi les coûts pour l'utilisateur.

  • Piles au lithium ternaires: Bien que leur durée de vie soit plus courte, ils restent avantageux dans les applications sensibles aux coûts et dont les exigences en matière de durée de vie sont moins strictes. Par exemple, les produits électroniques grand public ayant des cycles d'utilisation plus courts - généralement remplacés au bout de quelques années - peuvent répondre aux besoins de performance pendant leur cycle de vie, tandis que leur coût relativement faible renforce la compétitivité du marché.

3. Pourquoi les piles à l'état semi-solide sont-elles généralement plus sûres que les piles au lithium ternaires ?

Stabilité thermique

  • Piles à l'état semi-solide: Utilisant un mélange d'électrolytes solides ou d'électrolytes solides et liquides, les batteries semi-solides bénéficient de la grande stabilité thermique des électrolytes solides, qui sont non volatiles et ininflammables. Elles conservent leurs performances à des températures élevées, ce qui réduit le risque d'emballement thermique. Par exemple, un produit de batterie semi-solide utilisant la technologie de polymérisation in situ pour une armature polymère démontre une excellente sécurité, ne présentant ni incendie ni explosion, même lors d'essais à haute température.

  • Piles au lithium ternaires: Reposant sur des électrolytes liquides, les piles au lithium ternaires ont une stabilité thermique plus faible. À des températures élevées, l'électrolyte peut se décomposer ou se volatiliser, générant de la chaleur et des gaz qui augmentent la probabilité d'un emballement thermique, pouvant provoquer des incendies ou des explosions.

Suppression de la croissance des dendrites de lithium

  • Piles à l'état semi-solide: Les électrolytes solides offrent une résistance mécanique qui supprime efficacement la croissance et la pénétration des dendrites de lithium. Les dendrites de lithium, qui sont l'une des causes principales des courts-circuits internes, sont atténuées par les batteries semi-solides, ce qui renforce la sécurité. Des entreprises comme Qingtao Energy ont mis au point des batteries semi-solides avec des électrolytes solides qui empêchent la formation de dendrites, garantissant ainsi un fonctionnement sûr.

  • Piles au lithium ternaires: Au cours des cycles de charge-décharge, les ions lithium des batteries ternaires peuvent former des dendrites à la surface de l'anode. Lorsque ces dendrites se développent suffisamment, elles peuvent percer le séparateur, provoquant des courts-circuits et déclenchant un emballement thermique.

Tolérance de surcharge

  • Piles à l'état semi-solide: Certaines batteries semi-solides présentent une bonne tolérance à la surcharge. L'utilisation d'électrolytes solides peut limiter les réactions d'oxydoréduction excessives pendant la surcharge, réduisant ainsi les risques de gonflement ou d'inflammation causés par la surcharge.

  • Piles au lithium ternaires: La présence d'électrolytes liquides dans les batteries ternaires les rend sujettes à des réactions chimiques intenses pendant la surcharge, générant une chaleur et des gaz importants. Cette augmentation rapide de la pression interne accroît le risque d'explosion.

Résistance à la compression et à la perforation

  • Piles à l'état semi-solide: Certaines batteries semi-solides, en raison de leur structure interne et des matériaux qui les composent, offrent une résistance supérieure à la compression et à la perforation. Par exemple, les batteries semi-solides de BAK Battery excellent dans les tests de pénétration de clous, ne présentant ni incendie, ni explosion, ni fuite - ce qui est essentiel pour prévenir les incidents de sécurité en cas d'impact externe.

  • Piles au lithium ternaires: Les piles liquides sont vulnérables à la rupture du séparateur ou au contact des électrodes lorsqu'elles sont comprimées ou percées, ce qui entraîne des courts-circuits et un emballement thermique.

4. Facteurs influençant la sécurité des piles à l'état semi-solide

Système d'électrolyte

  • Contenu et performance de l'électrolyte solide: La quantité et la qualité de l'électrolyte solide sont essentielles à la sécurité de la batterie. Une quantité insuffisante d'électrolyte solide ne permet pas d'isoler la cathode et l'anode, ce qui risque de provoquer des courts-circuits, tandis qu'une quantité trop importante peut nuire à l'efficacité du transport des ions, ce qui réduit les performances. Les électrolytes solides ayant une conductivité ionique et une stabilité thermique élevées, tels que les électrolytes à base d'oxyde, améliorent la sécurité à haute température tout en assurant une charge et une décharge normales.

  • Électrolyte liquide résiduel: Bien qu'il soit réduit par rapport aux batteries liquides traditionnelles, l'électrolyte liquide résiduel dans les batteries semi-solides doit être strictement contrôlé. Les fuites en cours d'utilisation peuvent provoquer des courts-circuits ou de la corrosion, ce qui réduit la sécurité. Dans des conditions extrêmes telles que des températures élevées ou une surcharge, il peut se décomposer et produire du gaz, augmentant ainsi la pression interne et les risques d'explosion.

Matériaux d'électrodes

  • Matériaux de la cathode: La stabilité et la sécurité des matériaux de cathode ont un impact significatif sur la sécurité globale des batteries. Les cathodes à forte teneur en nickel offrent une densité énergétique élevée mais sont sujettes à des changements structurels et à une décomposition thermique à des températures élevées ou en cas de surcharge, ce qui libère de l'oxygène et augmente les risques d'incendie ou d'explosion. La modification ou le revêtement des cathodes à forte teneur en nickel afin d'améliorer la stabilité thermique et structurelle est crucial pour la sécurité.

  • Matériaux d'anode: Le choix de l'anode a également une incidence sur la sécurité. Les anodes à base de silicium, par exemple, se dilatent considérablement pendant la charge-décharge, ce qui peut entraîner la pulvérisation et le détachement de l'électrode et avoir un impact sur la durée du cycle et la sécurité. Les anodes en lithium métal, malgré leur capacité théorique élevée, peuvent former des dendrites dans la pratique, perçant les séparateurs ou les électrolytes solides et provoquant des courts-circuits internes.

Processus de fabrication des piles

  • Compatibilité d'interface entre l'électrolyte et les électrodes: Lors de la production, il est essentiel d'assurer une bonne compatibilité d'interface entre les électrolytes solides et les matériaux d'électrodes pour un transport d'ions sans heurts. Une mauvaise compatibilité augmente la résistance de l'interface, génère de la chaleur pendant la charge-décharge et affecte la sécurité et la durée de vie.

  • Processus d'encapsulation: La qualité de l'encapsulation des batteries est directement liée à l'étanchéité et à la sécurité. Un encapsulage efficace empêche l'humidité externe ou l'oxygène de pénétrer, évitant ainsi la corrosion ou l'endommagement des électrodes et des électrolytes. Elle doit également offrir une résistance mécanique pour supporter la compression ou les collisions pendant l'utilisation, afin d'éviter les dommages structurels et les risques pour la sécurité.

Système de gestion de la batterie

  • Protection contre les surcharges et les décharges excessives: La protection contre la surcharge et la surdécharge dans le système de gestion de la batterie (BMS) est essentielle pour la sécurité des batteries semi-solides. La surcharge déclenche des réactions chimiques irréversibles, générant de la chaleur et des gaz qui augmentent la température et la pression, ce qui présente des risques pour la sécurité. Des mécanismes de protection efficaces coupent les circuits de charge pour éviter la surcharge.

  • Gestion thermique: La chaleur générée pendant la charge-décharge peut surchauffer la batterie, ce qui a un impact sur les performances et la sécurité si elle n'est pas dissipée efficacement. Les modules de gestion thermique du BMS, qui utilisent des ventilateurs ou des tuyaux de refroidissement, garantissent que la batterie fonctionne dans une plage de température sûre, améliorant ainsi la longévité et la sécurité.

Environnement et conditions d'utilisation

  • Température: Des températures extrêmement élevées ou basses affectent la sécurité des batteries semi-solides. Les températures élevées accélèrent les réactions chimiques, ce qui risque d'entraîner un emballement thermique, tandis que les basses températures réduisent l'efficacité de la charge et de la décharge, ce qui risque d'endommager les électrodes et d'avoir un impact sur la durée de vie et la sécurité. Des mesures telles qu'un refroidissement renforcé à haute température ou un préchauffage à basse température sont nécessaires.

  • Impact externe: La compression, la collision ou la perforation pendant l'utilisation peuvent endommager les structures internes et provoquer des courts-circuits ou des fuites. La conception et la fabrication des batteries doivent donner la priorité à la résistance aux chocs externes, en utilisant des boîtiers très résistants et des structures internes optimisées, afin de garantir la sécurité.

Conclusion

Dans le domaine de la technologie des piles, les piles au lithium semi-solides et ternaires ont chacune leurs points forts, répondant à différents appareils en fonction de besoins spécifiques. Newbettercell, avec plus de 20 ans d'expertise dans le domaine des piles rechargeables, a développé une gamme de piles ternaires et semi-solides. R&D et fabrication de batteriesL'entreprise produit des batteries à l'état semi-solide avec des tensions allant de 4S (14,8V) à 18S (68,4V) et des capacités allant jusqu'à 84Ah. Notre gamme de produits diversifiée répond à différents scénarios d'application. Si vous avez des questions ou des besoins particuliers, n'hésitez pas à nous contacter par le biais du service clientèle en ligne, par téléphone ou par message. Nous vous répondrons rapidement avec une assistance spécialisée.