Diepgaande analyse van batterijtechnologie: Een Multidimensionale Vergelijking van Semi-Solid-State Batterijen en NMC Ternary Lithium Batterijen

In het huidige landschap van batterijtechnologie, halfvaste toestand accu's en ternaire lithiumaccu's springen eruit als twee zeer gewaardeerde "sterren" die vaak worden gekozen door fabrikanten van eindgebruikersapparaten. Hoewel beide het gemeenschappelijke doel dienen om apparatuur van stroom te voorzien, verschillen ze aanzienlijk op verschillende belangrijke punten. Welke intrinsieke factoren geven vorm aan hun unieke kenmerken en sturen ze in de richting van verschillende technologische en toepassingspaden? In dit artikel verdiept het team van Grepow zich in een veelzijdige analyse die u verder leidt dan de oppervlakte om een diepgaand inzicht te krijgen in de fundamentele verschillen tussen semi-solid-state batterijen en ternaire lithiumbatterijen.

1. Wat zijn semi-vaste-staat-batterijen en tertiaire lithium-batterijen?

Batterijen met semi-vaste toestand

Definitie: Semi-solid-state batterijen vertegenwoordigen een hybride technologie tussen traditionele vloeibare batterijen en volledig solid-state batterijen. Hun elektrodematerialen zijn gedeeltelijk of volledig vast, terwijl de elektrolyt een mengsel is van vaste en vloeibare elektrolyten of een gelachtige substantie die een bepaalde hoeveelheid vloeibaar elektrolyt bevat. Structurele kenmerken: De structuur van halfvaste accu's lijkt op die van traditionele vloeibare accu's, maar verschilt in de samenstelling en verdeling van elektroden en elektrolyten. De elektroden maken doorgaans gebruik van multi-elementmaterialen met een hoog nikkelgehalte of op lithium gebaseerde materialen op basis van mangaan als kathode en koolstof-siliciumanoden als anode, waardoor de energiedichtheid en de laad- en ontlaadprestaties verbeteren. De elektrolyt combineert vaste elektrolyten met een hoge ionische geleidbaarheid en stabiliteit, zoals oxiden of sulfiden, met een kleine hoeveelheid vloeibare elektrolyt om de efficiëntie van het ionentransport te verbeteren.

Ternary Lithium Batterijen

Definitie: Ternaire lithiumbatterijen zijn lithium-ionbatterijen met kathodes die bestaan uit nikkel, mangaan en kobalt.

Structurele kenmerken: Terniaire lithiumbatterijen worden meestal vervaardigd met behulp van een gelamineerd zakcelproces en bieden een hoge energiedichtheid en goede laad- en ontlaadprestaties. Het kathodemateriaal is een ternaire verbinding, terwijl de anode vaak grafiet of silicium-koolstof anodes gebruikt om de capaciteit en de laad-ontlaad efficiëntie te verhogen.

2. Hoe verschilt de levensduur van halfvaste lithiumbatterijen en tertiaire lithiumbatterijen?

Verschillen in cycluslevensduur

• Halfvaste cellen kunnen een levensduur van meer dan 2000 cycli bereiken, met energiedichtheden van 280-350 Wh/kg en een potentiële 10% verbetering van de levensduur.

• NMC ternaire lithiumbatterijen hebben over het algemeen een levensduur van ongeveer 1000 cycli en behouden na 1000 cycli meer dan 80% capaciteit.

Factoren die de levensduur van de cyclus beïnvloeden

• Batterijen met semi-vaste toestand: Het gebruik van halfvaste elektrolyten zorgt voor een stabieler contact tussen elektroden en elektrolyten, waardoor het afgeven van elektrodemateriaal en nevenreacties tijdens laad-/ontlaadcycli wordt verminderd, waardoor de levensduur wordt verlengd. Bovendien minimaliseert de chemische en thermische stabiliteit van halfvaste elektrolyten problemen met ontleding of degradatie tijdens cycli, waardoor de levensduur van de batterij verder wordt verlengd.

• Ternary Lithium Batterijen: In traditionele vloeibare lithium-ionbatterijen reageert de vloeibare elektrolyt voortdurend met de elektrodematerialen gedurende langere cycli, wat leidt tot structurele schade en prestatievermindering. Het hoge nikkelgehalte in ternaire materialen maakt de kathode gevoelig voor structurele veranderingen, zoals de overgang van een gelaagde naar een spinelstructuur tijdens het laden en ontladen, waardoor de elektrochemische prestaties afnemen en de levensduur van de cyclus wordt beïnvloed.

Invloed van levensduur op praktische toepassingen

• Batterijen met semi-vaste toestand: Hun langere levensduur is geschikt voor toepassingen die een lange levensduur van de batterij vereisen, zoals zuinige drones, elektrische voertuigen en energieopslagstations. In EV's betekent een lange levensduur dat de batterij gedurende de hele levensduur van het voertuig kan blijven presteren, waardoor de actieradius afneemt en de vervangingsfrequentie daalt, waardoor de gebruikskosten dalen.

• Ternary Lithium Batterijen: Hoewel hun levensduur korter is, blijven ze voordelig in kostengevoelige toepassingen met minder strenge levensduurvereisten. Zo kan consumentenelektronica met kortere gebruikscycli - die meestal binnen een paar jaar wordt vervangen - tijdens de levensduur voldoen aan de prestatiebehoeften, terwijl de relatief lagere kosten het concurrentievermogen op de markt vergroten.

3. Waarom zijn semi-vaste fase batterijen over het algemeen veiliger dan lithiumbatterijen?

Thermische stabiliteit

• Batterijen met semi-vaste toestand: Semi-vaste batterijen, die een mix van vaste elektrolyten of vaste en vloeibare elektrolyten gebruiken, profiteren van de hoge thermische stabiliteit van vaste elektrolyten, die niet vluchtig en niet ontvlambaar zijn. Ze blijven ook bij hoge temperaturen goed presteren, waardoor het risico van thermische runaway afneemt. Een halfvaste batterij die gebruik maakt van in-situ uithardingstechnologie voor een polymeerraamwerk laat bijvoorbeeld een uitstekende veiligheid zien, waarbij zelfs bij tests met hoge temperaturen geen brand of explosie optrad.

• Ternary Lithium Batterijen: Ternaire lithiumbatterijen, die gebaseerd zijn op vloeibare elektrolyten, hebben een lagere thermische stabiliteit. Bij hoge temperaturen kan de elektrolyt ontleden of vervliegen, waarbij warmte en gas vrijkomen die de kans op thermische runaway vergroten en brand of explosies kunnen veroorzaken.

Onderdrukking van lithiumdendrietgroei

• Batterijen met semi-vaste toestand: Vaste elektrolyten bieden mechanische sterkte om de groei en penetratie van lithiumdendrieten effectief te onderdrukken. Lithiumdendrieten, een primaire oorzaak van interne kortsluiting, worden beperkt door halfvaste batterijen, wat de veiligheid verhoogt. Bedrijven zoals Qingtao Energy hebben halfvaste batterijen ontwikkeld met vaste elektrolyten die de vorming van dendrieten voorkomen, waardoor een veilige werking wordt gegarandeerd.

• Ternary Lithium Batterijen: Tijdens laad-ontlaadcycli kunnen lithiumionen in ternaire batterijen dendrieten vormen op het anodeoppervlak. Als deze voldoende groeien, kunnen ze de separator doorboren, kortsluiting veroorzaken en thermische runaway in gang zetten.

Tolerantie voor overlading

• Batterijen met semi-vaste toestand: Sommige halfvaste accu's zijn goed bestand tegen overladen. Het gebruik van vaste elektrolyten kan excessieve redoxreacties tijdens het overladen beperken, waardoor risico's zoals zwelling of ontbranding als gevolg van overladen worden beperkt.

• Ternary Lithium Batterijen: De aanwezigheid van vloeibare elektrolyten in ternaire batterijen maakt ze gevoelig voor intense chemische reacties tijdens het overladen, waarbij veel warmte en gas vrijkomt. Deze snelle toename van de interne druk verhoogt het explosiegevaar.

Weerstand tegen samendrukken en perforeren

• Batterijen met semi-vaste toestand: Sommige halfvaste batterijen bieden door hun interne structuur en materialen een superieure weerstand tegen samendrukken en doorboren. De halfvaste batterijen van BAK Battery blinken bijvoorbeeld uit in nagelperforatietests en vertonen geen vuur, explosie of lekkage - essentieel voor het voorkomen van veiligheidsincidenten bij externe impact.

• Ternary Lithium Batterijen: Vloeibare batterijen zijn kwetsbaar voor scheuren in de separator of contact met elektroden wanneer ze worden samengedrukt of doorboord, wat leidt tot kortsluiting en thermische runaway.

4. Factoren die de veiligheid van halfvaste batterijen beïnvloeden

Elektrolytisch systeem

• Inhoud en prestaties van vaste elektrolyten: De hoeveelheid en kwaliteit van vast elektrolyt zijn van vitaal belang voor de veiligheid van de batterij. Te weinig vaste elektrolyt isoleert de kathode en anode niet, waardoor kortsluiting kan ontstaan, terwijl te veel vaste elektrolyt de efficiëntie van ionentransport kan belemmeren, waardoor de prestaties afnemen. Vaste elektrolyten met een hoge ionengeleidbaarheid en thermische stabiliteit, zoals elektrolyten op basis van oxiden, verbeteren de veiligheid bij hoge temperaturen en zorgen voor een normale lading/ontlading.

• Vloeibare restelektrolyt: Hoewel dit minder is dan bij traditionele vloeibare accu's, moet resterend vloeibaar elektrolyt in halfvaste accu's strikt worden gecontroleerd. Lekkage tijdens het gebruik kan kortsluiting of corrosie veroorzaken, waardoor de veiligheid afneemt. Onder extreme omstandigheden, zoals hoge temperaturen of overladen, kan het ontleden en gas genereren, waardoor de interne druk toeneemt en explosiegevaar ontstaat.

Elektrodematerialen

• Kathodematerialen: De stabiliteit en veiligheid van kathodematerialen hebben een grote invloed op de algehele veiligheid van batterijen. Kathoden van hoog nikkel bieden een hoge energiedichtheid, maar zijn gevoelig voor structurele veranderingen en thermische ontbinding bij hoge temperaturen of overbelading, waarbij zuurstof vrijkomt en brand- of explosierisico's ontstaan. Het aanpassen of coaten van hoognikkel kathoden om de thermische en structurele stabiliteit te verbeteren is cruciaal voor de veiligheid.

• Anodematerialen: De keuze van de anode heeft ook invloed op de veiligheid. Anoden op basis van silicium zetten bijvoorbeeld sterk uit tijdens het laden en ontladen, waardoor de elektrode kan verpulveren en losraken, wat gevolgen heeft voor de levensduur en de veiligheid. Lithiummetaalanoden kunnen, ondanks hun hoge theoretische capaciteit, in de praktijk dendrieten vormen, die separatoren of vaste elektrolyten doorboren en interne kortsluiting veroorzaken.

Productieproces van batterijen

• Interface compatibiliteit tussen elektrolyt en elektroden: Tijdens de productie is een goede interfacecompatibiliteit tussen vaste elektrolyten en elektrodematerialen essentieel voor een soepel ionentransport. Een slechte compatibiliteit verhoogt de interfaceweerstand, genereert warmte tijdens het laden en ontladen en beïnvloedt de veiligheid en levensduur.

• Inkapselingsproces: De kwaliteit van de batterijinkapseling houdt rechtstreeks verband met afdichting en veiligheid. Een effectieve inkapseling voorkomt dat vocht of zuurstof van buitenaf binnendringt, waardoor corrosie of schade aan elektroden en elektrolyten wordt voorkomen. Het moet ook mechanische sterkte bieden om bestand te zijn tegen samendrukking of botsingen tijdens gebruik, waardoor structurele schade en veiligheidsrisico's worden voorkomen.

Batterijbeheersysteem

• Bescherming tegen overlading en ontlading: Beveiliging tegen overladen en overontladen in het batterijbeheersysteem (BMS) is cruciaal voor de veiligheid van halfvaste batterijen. Overladen veroorzaakt onomkeerbare chemische reacties, waarbij warmte en gas ontstaan die de temperatuur en druk verhogen, wat veiligheidsrisico's met zich meebrengt. Effectieve beveiligingsmechanismen schakelen laadcircuits uit om overladen te voorkomen.

• Thermisch beheer: Warmte die wordt gegenereerd tijdens het laden en ontladen kan de batterij oververhitten, wat de prestaties en veiligheid kan beïnvloeden als deze niet effectief wordt afgevoerd. Thermische beheermodules van het BMS zorgen er met ventilatoren of koelbuizen voor dat de batterij binnen een veilig temperatuurbereik werkt, wat de levensduur en veiligheid ten goede komt.

Gebruiksomgeving en -voorwaarden

• Temperatuur: Extreem hoge of lage temperaturen beïnvloeden de veiligheid van halfvaste batterijen. Hoge temperaturen versnellen chemische reacties en kunnen leiden tot thermische runaway, terwijl lage temperaturen de efficiëntie van het laden en ontladen verminderen, elektroden kunnen beschadigen en de levensduur en veiligheid kunnen beïnvloeden. Maatregelen zoals versterkte koeling bij hoge temperaturen of voorverwarming bij lage temperaturen zijn noodzakelijk.

• Externe invloed: Samendrukken, botsen of perforeren tijdens het gebruik kan interne structuren beschadigen en kortsluiting of lekken veroorzaken. Bij het ontwerp en de fabricage van batterijen moet voorrang worden gegeven aan weerstand tegen externe schokken, door gebruik te maken van zeer sterke behuizingen en geoptimaliseerde interne structuren om de veiligheid te garanderen.

Conclusie

Op het gebied van batterijtechnologie hebben halfvaste en ternaire lithiumbatterijen elk hun sterke punten, die geschikt zijn voor verschillende apparaten op basis van specifieke behoeften. Newbettercell, met meer dan 20 jaar expertise in oplaadbare R&D en productie van batterijenproduceert semi-massieve accu's met spanningsopties van 4S (14,8V) tot 18S (68,4V) en capaciteiten tot 84Ah. Onze diverse productlijn is geschikt voor verschillende toepassingsscenario's. Neem voor vragen of speciale vereisten gerust contact met ons op via de online klantenservice, telefoon of bericht - we zullen snel reageren met toegewijde ondersteuning.