Углубленный анализ технологии аккумуляторов: Многомерное сравнение полутвердотельных батарей и тройных литиевых батарей NMC

В современном ландшафте аккумуляторных технологий, полутвердое состояние Аккумуляторы и троичные литиевые батареи - это две "звезды", которые часто выбирают производители устройств для конечных пользователей. Хотя обе батареи служат общей цели - питанию оборудования, они существенно различаются по нескольким ключевым параметрам. Какие внутренние факторы определяют их уникальные характеристики, направляя их на разные технологические и прикладные пути? В этой статье команда Grepow проведет многосторонний анализ и поможет вам понять фундаментальные различия между полутвердыми и тернарными литиевыми батареями.

1. Что такое полутвердотельные батареи и тернарные литиевые батареи?

Полутвердотельные батареи

Определение: Полутвердотельные батареи представляют собой гибридную технологию между традиционными жидкостными и полностью твердотельными батареями. Их электродные материалы частично или полностью твердые, а электролит представляет собой смесь твердого и жидкого электролитов или гелеобразное вещество, содержащее определенное количество жидкого электролита. Структурные особенности: Структура полутвердых батарей напоминает структуру традиционных жидких батарей, но отличается составом и распределением электродов и электролитов. В качестве катода обычно используются высоконикелевые многоэлементные материалы или богатые литием материалы на основе марганца, а в качестве анода - углеродно-кремниевые аноды, что повышает плотность энергии и эффективность заряда-разряда. В электролите сочетаются твердые электролиты с высокой ионной проводимостью и стабильностью - например, оксиды или сульфиды - с небольшим количеством жидкого электролита для повышения эффективности переноса ионов.

Тернарные литиевые батареи

Определение: Тернарные литиевые батареи - это литий-ионные батареи с катодами, состоящими из никеля, марганца и кобальта.

Структурные особенности: Тернарные литиевые батареи обычно производятся по технологии многослойных ячеек, обеспечивая высокую плотность энергии и хорошие характеристики заряда-разряда. Материалом катода служит тернарное соединение, а в качестве анода часто используются графитовые или кремний-углеродные аноды для увеличения емкости и эффективности заряда-разряда.

2. Чем отличается время жизни цикла полутвердого и тройного литиевых аккумуляторов?

Различия в диапазоне продолжительности циклов

• Полутвердотельные элементы могут достичь срока службы, превышающего 2000 циклов, при плотности энергии 280-350 Вт-ч/кг и потенциальном увеличении срока службы на 10%.

• Срок службы тройных литиевых батарей NMC обычно составляет около 1 000 циклов, сохраняя емкость более 80% после 1 000 циклов.

Факторы, влияющие на срок службы цикла

• Полутвердотельные батареи: Использование полутвердых электролитов обеспечивает более стабильный контакт между электродами и электролитом, уменьшая осыпание материала электродов и побочные реакции во время циклов заряда-разряда, тем самым увеличивая срок службы. Кроме того, химическая и термическая стабильность полутвердых электролитов сводит к минимуму проблемы разложения или деградации во время циклов, что еще больше увеличивает долговечность батареи.

• Тернарные литиевые батареи: В традиционных жидких литий-ионных батареях жидкий электролит непрерывно реагирует с электродными материалами в течение длительных циклов, что приводит к разрушению структуры и снижению производительности. Высокое содержание никеля в тернарных материалах делает катод склонным к структурным изменениям - таким, как переход от слоистой к шпинельной структуре - во время заряда-разряда, что ухудшает электрохимические характеристики и влияет на срок службы.

Влияние срока службы на практическое применение

• Полутвердотельные батареи: Их увеличенный срок службы подходит для применения в областях с высокими требованиями к сроку службы батарей, таких как низковысотная экономика (беспилотники), электромобили (EV) и станции хранения энергии. В электромобилях длительный срок службы означает, что батарея может поддерживать работоспособность в течение всего срока службы автомобиля, сокращая деградацию и частоту замены, что снижает затраты пользователей.

• Тернарные литиевые батареи: Несмотря на меньший срок службы, они по-прежнему выгодны в чувствительных к стоимости приложениях с менее жесткими требованиями к сроку службы. Например, бытовая электроника с более коротким циклом использования - обычно заменяемая в течение нескольких лет - может удовлетворять требованиям к производительности в течение всего срока службы, а относительно низкая стоимость повышает конкурентоспособность на рынке.

3. Почему полутвердотельные батареи в целом более безопасны, чем литиевые батареи с тройной связью?

Термическая стабильность

• Полутвердотельные батареи: Используя смесь твердых электролитов или твердых и жидких электролитов, полутвердые батареи выигрывают за счет высокой термической стабильности твердых электролитов, которые являются нелетучими и невоспламеняющимися. Они сохраняют работоспособность при высоких температурах, снижая риск теплового разряда. Например, полутвердый аккумулятор, в котором используется технология полимеризации полимерного каркаса на месте, демонстрирует отличную безопасность, не допуская возгорания или взрыва даже при высокотемпературных испытаниях.

• Тернарные литиевые батареи: Основанные на жидких электролитах, тернарные литиевые батареи обладают пониженной термической стабильностью. При высоких температурах электролит может разлагаться или улетучиваться, выделяя тепло и газ, что повышает вероятность теплового разгона, потенциально вызывая пожары или взрывы.

Подавление роста дендритов лития

• Полутвердотельные батареи: Твердые электролиты обеспечивают механическую прочность, эффективно подавляя рост и проникновение литиевых дендритов. Дендриты лития, являющиеся основной причиной внутренних коротких замыканий, уменьшаются в полутвердых батареях, что повышает безопасность. Такие компании, как Qingtao Energy, разработали полутвердые батареи с твердым электролитом, который предотвращает образование дендритов, обеспечивая безопасность эксплуатации.

• Тернарные литиевые батареи: Во время циклов заряда-разряда ионы лития в троичных батареях могут образовывать дендриты на поверхности анода. Когда они достаточно вырастают, они могут пробить сепаратор, вызывая короткое замыкание и провоцируя тепловой разряд.

Допустимый уровень перезаряда

• Полутвердотельные батареи: Некоторые полутвердые батареи демонстрируют хорошую устойчивость к перезаряду. Использование твердых электролитов позволяет ограничить чрезмерные окислительно-восстановительные реакции при перезаряде, снижая такие риски, как вздутие или воспламенение, вызванные перезарядом.

• Тернарные литиевые батареи: Наличие жидкого электролита в троичных батареях делает их склонными к интенсивным химическим реакциям при перезарядке с выделением значительного количества тепла и газа. Такое быстрое повышение внутреннего давления повышает риск взрыва.

Устойчивость к сжатию и проколу

• Полутвердотельные батареи: Некоторые полутвердые батареи, благодаря своей внутренней структуре и материалам, обладают повышенной устойчивостью к сжатию и проколу. Например, полутвердые аккумуляторы BAK Battery отлично выдерживают испытания на пробивание гвоздями, не вызывая возгорания, взрыва или утечки, что очень важно для предотвращения инцидентов, связанных с безопасностью при внешнем воздействии.

• Тернарные литиевые батареи: Жидкие батареи уязвимы к разрыву сепаратора или контакту электродов при сжатии или проколе, что приводит к короткому замыканию и тепловому выходу из строя.

4. Факторы, влияющие на безопасность полутвердотельных батарей

Электролитная система

• Содержание и характеристики твердого электролита: Количество и качество твердого электролита жизненно важны для безопасности батареи. Слишком малое количество твердого электролита не позволяет изолировать катод и анод, что чревато коротким замыканием, а слишком большое количество может препятствовать эффективности переноса ионов, снижая производительность. Твердые электролиты с высокой ионной проводимостью и термостабильностью - например, электролиты на основе оксидов - повышают безопасность при высоких температурах, обеспечивая нормальный заряд-разряд.

• Остаточный жидкий электролит: Хотя по сравнению с традиционными жидкими батареями, остатки жидкого электролита в полутвердых батареях должны строго контролироваться. Утечка во время использования может привести к короткому замыканию или коррозии, что снижает безопасность. В экстремальных условиях, таких как высокие температуры или перезарядка, он может разлагаться и выделять газ, повышая внутреннее давление и увеличивая риск взрыва.

Электродные материалы

• Материалы для катодов: Стабильность и безопасность катодных материалов существенно влияют на общую безопасность аккумуляторов. Высоконикелевые катоды обеспечивают высокую плотность энергии, но подвержены структурным изменениям и термическому разложению при высоких температурах или перезарядке, высвобождая кислород и повышая риск пожара или взрыва. Модификация или покрытие высоконикелевых катодов для повышения термической и структурной стабильности имеет решающее значение для безопасности.

• Анодные материалы: Выбор анода также влияет на безопасность. Аноды на основе кремния, например, значительно расширяются во время заряда-разряда, что может привести к раздроблению и отсоединению электродов, влияя на срок службы и безопасность. Литиевые металлические аноды, несмотря на высокую теоретическую емкость, на практике могут образовывать дендриты, пробивая сепараторы или твердые электролиты и вызывая внутренние короткие замыкания.

Процесс производства аккумуляторов

• Совместимость интерфейсов между электролитом и электродами: В процессе производства обеспечение хорошей совместимости между твердыми электролитами и электродными материалами необходимо для беспрепятственного переноса ионов. Плохая совместимость увеличивает сопротивление интерфейса, приводит к выделению тепла при заряде-разряде и влияет на безопасность и срок службы.

• Процесс инкапсуляции: Качество герметизации батареи напрямую связано с ее герметичностью и безопасностью. Эффективная герметизация предотвращает попадание влаги или кислорода извне, что позволяет избежать коррозии или повреждения электродов и электролита. Она также должна обеспечивать механическую прочность, чтобы выдерживать сжатие или удары во время использования, предотвращая структурные повреждения и угрозы безопасности.

Система управления аккумулятором

• Защита от перезаряда и переразряда: Защита от перезаряда и разряда в системе управления батареей (BMS) имеет решающее значение для безопасности полутвердых батарей. Перезаряд запускает необратимые химические реакции, выделяя тепло и газ, которые повышают температуру и давление, создавая угрозу безопасности. Эффективные механизмы защиты отключают зарядные цепи для предотвращения перезаряда.

• Терморегулирование: Тепло, выделяемое в процессе заряда-разряда, может перегревать батарею, влияя на ее производительность и безопасность, если не обеспечить эффективный отвод. Модули терморегулирования BMS, использующие вентиляторы или охлаждающие трубки, обеспечивают работу батареи в безопасном температурном диапазоне, повышая долговечность и безопасность.

Среда и условия использования

• Температура: Экстремально высокие или низкие температуры влияют на безопасность полутвердых аккумуляторов. Высокие температуры ускоряют химические реакции, создавая риск теплового разгона, а низкие температуры снижают эффективность заряда-разряда, потенциально повреждая электроды и влияя на срок службы и безопасность. Необходимы такие меры, как усиленное охлаждение при высоких температурах или предварительный нагрев при низких температурах.

• Внешнее воздействие: Сжатие, столкновение или прокол во время использования могут повредить внутренние структуры, вызвать короткое замыкание или утечку. Для обеспечения безопасности при разработке и производстве аккумуляторов необходимо уделять первостепенное внимание устойчивости к внешним воздействиям - использовать высокопрочные корпуса и оптимизированные внутренние структуры.

Заключение

В сфере аккумуляторных технологий полутвердотельные и тройные литиевые батареи имеют свои сильные стороны и подходят для различных устройств в зависимости от конкретных потребностей. Компания Newbettercell, обладающая более чем 20-летним опытом в области перезаряжаемых разработка и производство аккумуляторовпроизводит полутвердотельные аккумуляторы с напряжением от 4S (14,8 В) до 18S (68,4 В) и емкостью до 84 Ач. Наша разнообразная линейка продукции подходит для различных сценариев применения. Если у вас возникли вопросы или особые требования, обращайтесь к нам через онлайн-службу поддержки клиентов, по телефону или с помощью сообщений - мы оперативно предоставим вам необходимую поддержку.