Wat zijn semi-solid state batterijen en het verschil met solid-state batterijen?
2025-02-26
Het is een open geheim dat Toyota veel energie steekt in de ontwikkeling van solid-state batterijen achter gesloten deuren. Zodra de solid-state batterijen van Toyota met succes op grote schaal worden geproduceerd, zal het bereik direct 1.200 km bereiken, zelfs dat van voertuigen op brandstof overtreffen, en zullen de pijnpunten van puur elektrisch rijden in één keer opgelost zijn.
Het lijkt er echter op dat het nog enige tijd zal duren voordat solid-state batterijen op grote schaal worden geproduceerd, maar in de tussentijd zijn semi-solid-state batterijen al in gebruik genomen.
Begrijp je echt het verschil tussen semi-solid-state batterijen en solid-state batterijen?
Vandaag nemen we je mee om het te begrijpen vanuit het perspectief van ingenieurs door middel van 6 vragen.
1. Wat is een semi-solid-state batterij?
In een traditionele lithiumbatterij zijn de positieve en negatieve elektroden de "energieopslagplaatsen" en fungeert de elektrolyt als een "kanaal" waardoor lithiumionen vrij kunnen bewegen tussen de positieve en negatieve elektroden. Daarom wordt het ook wel een vloeibare batterij genoemd.
Zoals de naam al aangeeft, heeft een semi-solid-state batterij een hybride ontwerp van vaste elektrolyt en vloeibare elektrolyt.
Specifiek heeft de semi-solid-state batterij innovaties doorgevoerd in de elektrodematerialen. Het maakt gebruik van modder die ontstaat door het mengen van fijne lithiumverbindingdeeltjes met vloeibare elektrolyt als elektrodemateriaal. Dit hybride ontwerp stelt de batterij in staat de hoge veiligheid van solid-state batterijen te behouden, terwijl het ook de hoge ionoverdrachtsnelheid van vloeibare batterijen heeft.
Bovendien is de structuur van de semi-solid-state batterij ook uniek. Het realiseert de uitwisseling van ionen en de stroom van elektriciteit door twee stromen van positief en negatief geladen modder en een waterdoorlatend membraan.
2. Wat is het wezenlijke verschil tussen semi-solid batterijen en solid-state batterijen?
Semi-solid-state batterijen zijn qua principe vergelijkbaar met solid-state batterijen, maar er zijn drie belangrijke verschillen.
Ten eerste is de toestand van de elektrolyt anders. Solid-state batterijen gebruiken een volledig vaste elektrolyt, terwijl semi-solid batterijen een hybride ontwerp van vaste en vloeibare elektrolyten gebruiken.
Ten tweede is de bovengrens van de energiedichtheid anders.
Solid-state batterijen hebben meestal een hogere energiedichtheid omdat ze vaste elektrolyten gebruiken. Natuurlijk kunnen semi-solid-state batterijen ook een hogere energiedichtheid bereiken door de elektrodematerialen en de structurele ontwerp te optimaliseren om te voldoen aan de behoeften van de meeste toepassingen.
Ten derde, aangezien solid-state batterijen een nieuwe structuur en materialen gebruiken, is het productieproces complexer en is de kosten hoger dan die van semi-solid-state batterijen. Semi-solid-state batterijen kunnen, tot op zekere hoogte, gebruik maken van de productietechnologie en -apparatuur van traditionele vloeibare batterijen, waardoor de productiekosten worden verlaagd en het meer geschikt is voor grootschalige commerciële toepassingen.
3. Hoe onderscheid je semi-solid/solid batterijen?
In vergelijking met vloeibare batterijen is het grootste kenmerk van semi-solid/solid batterijen de introductie van vaste elektrolyten ter vervanging van de bestaande elektrolyt + membraan batterijstructuur.
Maar de structuur van semi-solid batterijen en solid-state batterijen is verschillend:
● Semi-solid batterijen:
Behouden een deel van de elektrolyt- en membraanstructuur. Semi-solid batterijen, om de geleidbaarheid te verbeteren, behouden een kleine hoeveelheid elektrolyt, terwijl ze vaste elektrolyten toevoegen, en vereisen daarom membranen als structuur om de positieve en negatieve elektroden te scheiden. Bovendien hebben, afhankelijk van de technische route, vaste elektrolyten ook verschillende structuren, zoals korrelachtig en filmachtig.
● All-solid-state batterijen:
Behouden geen elektrolyt en het membraan is onzeker. In all-solid-state batterijen wordt de elektrolyt volledig vervangen door vaste elektrolyten. Of het membraan wordt vervangen, hangt af van verschillende technische routes. In sommige solid-state batterijtechnologieën wordt het membraan behouden als een structuur om de elektrode te ondersteunen; in andere oplossingen wordt het membraan volledig geëlimineerd.
"De twee concepten semi-solid en quasi-solid zijn de algemeen aanvaarde benamingen in de industrie. Over het algemeen worden ze ingedeeld op basis van het percentage vloeibare elektrolyt in de batterijcel: vloeibaar (25wt%), semi-solid (5-10wt%), quasi-solid (0-5wt%) en volledig vast (0wt%)."
De overeenkomstige percentages zijn ook duidelijk verdeeld, zodat je het in één oogopslag kunt begrijpen.
4. Wat zijn de voordelen van solid-state batterijen?
Semi-solid batterijen en solid-state batterijen hebben vier duidelijke voordelen:
● Ten eerste zijn ze veilig.
Er zijn hier twee betekenissen. Ten eerste maakt het gebruik van vaste elektrolyten de batterij compacter en vermindert het risico op lekkage van vloeibare elektrolyten; ten tweede verbetert de hoge stabiliteit van vaste elektrolyten ook de veiligheid van de batterij en vermindert het de kans op explosie-incidenten tijdens het gebruik. Dit lost eigenlijk het probleem op dat lithiumbatterijen gevoelig zijn voor "zelfontbranding".
● Ten tweede is de energiedichtheid hoog.
Door de toevoeging van vaste elektrolyten kan de batterij meer energie opslaan in hetzelfde volume, waardoor de uithoudingsvermogen van de auto verbetert.
● Ten derde is de cyclustijd lang.
Dit komt eigenlijk door de stabiliteit van vaste elektrolyten, zodat de batterij beter zijn capaciteit en prestaties kan behouden tijdens langdurig gebruik, wat de frequentie en kosten van batterijvervanging verlaagt.
● Ten vierde heeft het een breder toepassingsbereik.
In vergelijking met het probleem dat traditionele vloeibare batterijen kunnen falen bij extreme temperaturen, kunnen solid-state batterijen normaal functioneren binnen een breder temperatuurbereik, waardoor het ook haalbaarder wordt om ze te gebruiken in extreem koude of hete omgevingen.
5. Wat zijn de moeilijkheden van solid-state batterijen?
(1). Materiaalkeuze en synthese.
Semi-solid batterijen vereisen het gebruik van speciale vaste elektrolyten en positieve en negatieve elektrodematerialen. De synthese en selectie van deze materialen moeten rekening houden met verschillende factoren zoals batterijprestaties, veiligheid en kosten. Tegelijkertijd moeten deze materialen goede iongeleiding, chemische stabiliteit en mechanische sterkte bezitten. Hoe al deze factoren en voorwaarden met elkaar te combineren is een moeilijke uitdaging!
(2). Het productieproces is complex.
Het fabricageproces van solid-state batterijen omvat meerdere stappen, waaronder materiaalsamenstelling, elektrodecoating, elektrolyt vullen, batterijverpakking, enz. Deze stappen vereisen hoogwaardige apparatuur en strikte productiecontrole om de kwaliteit en prestaties van de batterij te waarborgen. De kwaliteit van het productieproces heeft direct invloed op de prestaties van de batterij, dus niet alle bedrijven zijn in staat om solid-state batterijen te produceren.
Samenvatten
Het belangrijkste verschil tussen solid-state batterijen en semi-solid-state batterijen ligt in de toestand van de elektrolyt en de resulterende prestatiekenmerken. Solid-state batterijen gebruiken volledig vaste elektrolyten met uitstekende veiligheid en stabiliteit. De elektroden zijn gemaakt van puur metaal of vaste materialen met hoge geleidbaarheid, lage interne weerstand en hoge energiedichtheid. Ze zijn geschikt voor high-end toepassingen zoals elektrische voertuigen en drones.
Semi-solid batterijen combineren de voordelen van vloeibare en vaste elektrolyten, zijn eenvoudig te produceren en kosten lager. Ze omhullen de vloeibare elektrolyt met polymeer materialen om rijkere elektrochemische eigenschappen te bereiken en zijn geschikt voor een breed scala aan energieopslagsystemen en draagbare apparaten. Beide zijn nieuwe batterijtechnologieën die de veiligheid, energiedichtheid en cyclische levensduur aanzienlijk hebben verbeterd in vergelijking met vloeibare batterijen. Bij de keuze moet je kosten en prestaties afwegen op basis van specifieke toepassingsscenario's en behoeften om de beste beslissing te nemen.
Wat is een lithiumtitanaatbatterij?
Wat is een solid-state batterij?
Gerelateerd artikel
