Analisi approfondita della tecnologia delle batterie: Un confronto multidimensionale tra batterie allo stato semisolido e batterie al litio ternarie NMC

Nell'attuale panorama della tecnologia delle batterie, stato semisolido e le batterie ternarie al litio sono due "stelle" molto apprezzate e spesso scelte dai produttori di dispositivi per l'utente finale. Sebbene entrambe abbiano l'obiettivo comune di alimentare le apparecchiature, si differenziano in modo significativo per diverse dimensioni chiave. Quali sono i fattori intrinseci che determinano le loro caratteristiche uniche, indirizzandole verso percorsi tecnologici e applicativi distinti? In questo articolo, il team di Grepow si addentrerà in un'analisi sfaccettata, guidandovi oltre la superficie per comprendere a fondo le differenze fondamentali tra le batterie allo stato semisolido e le batterie al litio ternarie.

1. Cosa sono le batterie allo stato semisolido e le batterie al litio ternarie?

Batterie allo stato semisolido

Definizione: Le batterie allo stato semisolido rappresentano una tecnologia ibrida tra le tradizionali batterie a liquido e le batterie allo stato completamente solido. I loro materiali elettrodici sono parzialmente o interamente solidi, mentre l'elettrolita è una miscela di elettroliti solidi e liquidi o una sostanza simile a un gel contenente una certa quantità di elettrolita liquido. Caratteristiche strutturali: La struttura delle batterie semi-solide assomiglia a quella delle batterie liquide tradizionali, ma si differenzia per la composizione e la distribuzione degli elettrodi e degli elettroliti. Gli elettrodi utilizzano tipicamente materiali multi-elemento ad alto tenore di nichel o materiali a base di manganese ricchi di litio come catodo e anodi di carbonio-silicio come anodo, migliorando la densità energetica e le prestazioni di carica-scarica. L'elettrolita combina elettroliti solidi ad alta conducibilità ionica e stabilità, come ossidi o solfuri, con una piccola quantità di elettrolita liquido per migliorare l'efficienza del trasporto ionico.

Batterie al litio ternarie

Definizione: Le batterie al litio ternarie sono batterie agli ioni di litio con catodi composti da nichel, manganese e cobalto.

Caratteristiche strutturali: Le batterie al litio ternarie sono tipicamente prodotte con un processo a celle laminate e offrono un'elevata densità energetica e buone prestazioni di carica-scarica. Il materiale del catodo è un composto ternario, mentre l'anodo utilizza spesso anodi di grafite o di silicio-carbonio per aumentare la capacità e l'efficienza di carica-scarica.

2. Come differiscono le durate dei cicli delle batterie al litio semi-solide e ternarie?

Differenze nella durata del ciclo

  • Le celle allo stato semisolido possono raggiungere una durata di vita superiore a 2.000 cicli, con densità energetiche comprese tra 280 e 350 Wh/kg e un potenziale miglioramento della durata di vita di 10%.

  • Le batterie al litio ternarie NMC offrono generalmente una durata di circa 1.000 cicli, conservando una capacità superiore a 80% dopo 1.000 cicli.

Fattori che influenzano la durata del ciclo

  • Batterie allo stato semisolido: L'uso di elettroliti semisolidi garantisce un contatto più stabile tra gli elettrodi e gli elettroliti, riducendo la dispersione del materiale dell'elettrodo e le reazioni collaterali durante i cicli di carica e scarica, prolungando così la durata dei cicli. Inoltre, la stabilità chimica e termica degli elettroliti semisolidi riduce al minimo i problemi di decomposizione o degradazione durante i cicli, aumentando ulteriormente la longevità della batteria.

  • Batterie al litio ternarie: Nelle tradizionali batterie agli ioni di litio liquide, l'elettrolita liquido reagisce continuamente con i materiali dell'elettrodo per cicli prolungati, causando danni strutturali e un calo delle prestazioni. L'elevato contenuto di nichel nei materiali ternari rende il catodo soggetto a cambiamenti strutturali - come la transizione da una struttura stratificata a una spinellata - durante la carica e la scarica, con conseguente degrado delle prestazioni elettrochimiche e impatto sulla durata del ciclo.

Impatto della durata del ciclo sulle applicazioni pratiche

  • Batterie allo stato semisolido: La loro durata di ciclo prolungata è adatta alle applicazioni che richiedono un'elevata durata di vita delle batterie, come i droni, i veicoli elettrici e le stazioni di stoccaggio dell'energia. Nei veicoli elettrici, una lunga durata del ciclo significa che la batteria può mantenere le prestazioni per tutta la vita del veicolo, riducendo il degrado dell'autonomia e la frequenza di sostituzione, con conseguente riduzione dei costi per l'utente.

  • Batterie al litio ternarie: Sebbene la loro vita utile sia più breve, rimangono vantaggiosi in applicazioni sensibili ai costi e con requisiti di durata meno severi. Ad esempio, l'elettronica di consumo con cicli di utilizzo più brevi - tipicamente sostituita entro pochi anni - può soddisfare le esigenze di prestazioni durante il proprio ciclo di vita, mentre il costo relativamente più basso aumenta la competitività del mercato.

3. Perché le batterie allo stato semisolido sono generalmente più sicure delle batterie al litio ternarie?

Stabilità termica

  • Batterie allo stato semisolido: Utilizzando una miscela di elettroliti solidi o solidi e liquidi, le batterie semisolide beneficiano dell'elevata stabilità termica degli elettroliti solidi, che non sono volatili e non sono infiammabili. Mantengono le prestazioni anche a temperature elevate, riducendo il rischio di fuga termica. Ad esempio, un prodotto per batterie semisolide che utilizza la tecnologia di polimerizzazione in situ per la struttura polimerica dimostra un'eccellente sicurezza, non mostrando incendi o esplosioni nemmeno nei test ad alta temperatura.

  • Batterie al litio ternarie: Basandosi su elettroliti liquidi, le batterie al litio ternarie hanno una minore stabilità termica. In presenza di temperature elevate, l'elettrolita può decomporsi o volatilizzarsi, generando calore e gas che aumentano la probabilità di fuga termica, causando potenzialmente incendi o esplosioni.

Soppressione della crescita dei dendriti di litio

  • Batterie allo stato semisolido: Gli elettroliti solidi forniscono una resistenza meccanica che sopprime efficacemente la crescita e la penetrazione dei dendriti di litio. Le dendriti di litio, causa primaria di cortocircuiti interni, sono attenuate dalle batterie semisolide, migliorando la sicurezza. Aziende come Qingtao Energy hanno sviluppato batterie semisolide con elettroliti solidi che impediscono la formazione di dendriti, garantendo un funzionamento sicuro.

  • Batterie al litio ternarie: Durante i cicli di carica e scarica, gli ioni di litio nelle batterie ternarie possono formare dendriti sulla superficie dell'anodo. Quando questi si sviluppano a sufficienza, possono perforare il separatore, causando cortocircuiti e innescando il runaway termico.

Tolleranza di sovraccarico

  • Batterie allo stato semisolido: Alcune batterie semisolide presentano una buona tolleranza alla sovraccarica. L'uso di elettroliti solidi può limitare le reazioni redox eccessive durante la sovraccarica, riducendo i rischi come il rigonfiamento o l'accensione causati dalla sovraccarica.

  • Batterie al litio ternarie: La presenza di elettroliti liquidi nelle batterie ternarie le rende soggette a intense reazioni chimiche durante la sovraccarica, generando calore e gas significativi. Questo rapido aumento della pressione interna aumenta il rischio di esplosione.

Resistenza alla compressione e alla perforazione

  • Batterie allo stato semisolido: Alcune batterie semisolide, grazie alla loro struttura interna e ai loro materiali, offrono una resistenza superiore alla compressione e alla perforazione. Ad esempio, le batterie semi-solide di BAK Battery eccellono nei test di penetrazione dei chiodi, non mostrando incendi, esplosioni o perdite, fondamentali per prevenire incidenti di sicurezza in caso di impatto esterno.

  • Batterie al litio ternarie: Le batterie liquide sono vulnerabili alla rottura del separatore o al contatto con gli elettrodi quando vengono compresse o forate, con conseguente cortocircuito e fuga termica.

4. Fattori che influenzano la sicurezza delle batterie allo stato semisolido

Sistema elettrolitico

  • Contenuto e prestazioni dell'elettrolita solido: La quantità e la qualità dell'elettrolita solido sono fondamentali per la sicurezza delle batterie. Un elettrolita solido troppo scarso non riesce a isolare il catodo e l'anodo, con il rischio di cortocircuiti, mentre una quantità eccessiva può ostacolare l'efficienza del trasporto degli ioni, riducendo le prestazioni. Gli elettroliti solidi con elevata conducibilità ionica e stabilità termica, come quelli a base di ossido, aumentano la sicurezza alle alte temperature e garantiscono una carica e una scarica normali.

  • Elettrolita liquido residuo: Anche se ridotto rispetto alle batterie liquide tradizionali, l'elettrolito liquido residuo nelle batterie semisolide deve essere rigorosamente controllato. Le perdite durante l'uso possono causare cortocircuiti o corrosione, riducendo la sicurezza. In condizioni estreme, come temperature elevate o sovraccarico, può decomporsi e generare gas, aumentando la pressione interna e i rischi di esplosione.

Materiali per elettrodi

  • Materiali del catodo: La stabilità e la sicurezza dei materiali dei catodi hanno un impatto significativo sulla sicurezza complessiva delle batterie. I catodi ad alto tenore di nichel offrono un'elevata densità energetica, ma sono soggetti a cambiamenti strutturali e a decomposizione termica in presenza di temperature elevate o di sovraccarico, con conseguente rilascio di ossigeno e rischi di incendio o esplosione. Modificare o rivestire i catodi ad alto contenuto di nichel per migliorare la stabilità termica e strutturale è fondamentale per la sicurezza.

  • Materiali anodici: Anche la scelta dell'anodo influisce sulla sicurezza. Gli anodi a base di silicio, ad esempio, si espandono in modo significativo durante la carica-scarica, causando potenzialmente la polverizzazione e il distacco dell'elettrodo, con un impatto sulla durata del ciclo e sulla sicurezza. Gli anodi al litio metallico, nonostante la loro elevata capacità teorica, possono formare dendriti nella pratica, perforando i separatori o gli elettroliti solidi e causando cortocircuiti interni.

Processo di produzione delle batterie

  • Compatibilità dell'interfaccia tra elettrolita ed elettrodi: Durante la produzione, la garanzia di una buona compatibilità dell'interfaccia tra gli elettroliti solidi e i materiali degli elettrodi è essenziale per un trasporto fluido degli ioni. Una scarsa compatibilità aumenta la resistenza dell'interfaccia, generando calore durante la carica e la scarica e compromettendo la sicurezza e la durata.

  • Processo di incapsulamento: La qualità dell'incapsulamento della batteria è direttamente correlata alla tenuta e alla sicurezza. Un incapsulamento efficace impedisce l'ingresso di umidità o ossigeno dall'esterno, evitando la corrosione o il danneggiamento di elettrodi ed elettroliti. Deve inoltre garantire la resistenza meccanica per resistere alla compressione o alle collisioni durante l'uso, evitando danni strutturali e rischi per la sicurezza.

Sistema di gestione della batteria

  • Protezione da sovraccarico e sovraccarico: La protezione da sovraccarico e sovrascarico nel sistema di gestione delle batterie (BMS) è fondamentale per la sicurezza delle batterie semisolide. Il sovraccarico innesca reazioni chimiche irreversibili, generando calore e gas che aumentano la temperatura e la pressione, con conseguenti rischi per la sicurezza. Meccanismi di protezione efficaci interrompono i circuiti di carica per evitare il sovraccarico.

  • Gestione termica: Il calore generato durante la carica e la scarica può surriscaldare la batteria, compromettendo le prestazioni e la sicurezza se non viene dissipato in modo efficace. I moduli di gestione termica del BMS, utilizzando ventole o tubi di raffreddamento, assicurano che la batteria operi entro un intervallo di temperatura sicuro, migliorando la longevità e la sicurezza.

Ambiente e condizioni di utilizzo

  • Temperatura: Le temperature estremamente alte o basse influiscono sulla sicurezza delle batterie semisolide. Le alte temperature accelerano le reazioni chimiche, con il rischio di fuga termica, mentre le basse temperature riducono l'efficienza di carica-scarica, danneggiando potenzialmente gli elettrodi e compromettendo la durata e la sicurezza. Sono necessarie misure come il raffreddamento avanzato alle alte temperature o il preriscaldamento alle basse temperature.

  • Impatto esterno: La compressione, l'urto o la perforazione durante l'uso possono danneggiare le strutture interne, causando cortocircuiti o perdite. La progettazione e la produzione delle batterie devono privilegiare la resistenza agli impatti esterni, utilizzando involucri ad alta resistenza e strutture interne ottimizzate per garantire la sicurezza.

Conclusione

Nel campo della tecnologia delle batterie, le batterie al litio semi-solide e ternarie hanno ognuna i propri punti di forza e si adattano a diversi dispositivi in base a esigenze specifiche. Newbettercell, con oltre 20 anni di esperienza nel settore delle batterie ricaricabili R&S e produzione di batterieproduce batterie semi-solide con opzioni di tensione da 4S (14,8V) a 18S (68,4V) e capacità fino a 84Ah. La nostra linea di prodotti si adatta a diversi scenari applicativi. Per domande o esigenze particolari, non esitate a contattarci tramite il servizio clienti online, il telefono o un messaggio: risponderemo prontamente con un'assistenza dedicata.