Quelle est la différence entre une batterie semi-solide et une batterie solide ?
Qu'est-ce qu'une batterie semi-solide ?
Les batteries semi-solides utilisent une conception hybride d'électrolyte solide et d'électrolyte liquide. L'électrode de chaque côté de la batterie ne contient pas d'électrolyte liquide, et l'électrode de l'autre côté contient de l'électrolyte liquide.
Le rapport entre l'électrolyte solide et l'électrolyte liquide n'est pas un pour un, mais est divisé en fonction de la proportion d'électrolyte liquide dans la cellule de la batterie : liquide (25wt%), semi-solide (5-10wt%), quasi-solide (0-5wt%) et entièrement solide (0wt%).
Par rapport aux batteries lithium-ion existantes, les batteries semi-solides sont de petite taille, plus stables et plus sûres, elles peuvent atteindre une densité énergétique plus élevée et sont beaucoup moins chères que les batteries lithium-ion.
Quelle est la différence entre une batterie semi-solide et une batterie entièrement solide ?
Les batteries semi-solides ne sont pas toutes des batteries à l'état solide. Toutes les batteries à l'état solide sont 100% dépourvues d'électrolyte liquide. Bien que les batteries semi-solides et les batteries à l'état solide soient similaires en principe, il existe des différences significatives entre elles :
Matériaux d'électrolyte
Batteries semi-solides : utilisent une combinaison d'électrolytes partiellement solides et d'électrolytes partiellement liquides. L'électrolyte solide est généralement une céramique ou un matériau polymère, tandis que l'électrolyte liquide est un électrolyte liquide traditionnel. Cette combinaison peut améliorer la conductivité ionique et la stabilité interfaciale de la batterie.
Batteries entièrement solides : utiliser des électrolytes solides sans aucun composant liquide. Les électrolytes solides peuvent être des céramiques, des polymères ou d'autres matériaux solides, présentant une stabilité et une sécurité élevées.
Sécurité
Batteries semi-solides : Par rapport aux piles traditionnelles à électrolyte liquide, la sécurité est améliorée car les électrolytes partiellement solides peuvent réduire le risque de fuite des électrolytes liquides. Cependant, comme elle contient toujours des composants liquides, sa sécurité n'est pas aussi bonne que celle des batteries entièrement solides.
Batteries entièrement solides : Comme les électrolytes solides sont entièrement utilisés, le risque de fuite et de combustion des électrolytes liquides est éliminé et la sécurité est maximale.
Densité énergétique
Batteries semi-solides : ont une densité énergétique plus élevée parce que les électrolytes partiellement solides peuvent améliorer la stabilité globale et l'efficacité de la charge et de la décharge de la batterie, mais comme elles contiennent toujours des composants liquides, la densité énergétique n'est pas aussi élevée que celle des batteries entièrement solides.
Batteries entièrement solides : L'utilisation complète d'électrolytes solides permet d'obtenir une densité énergétique plus élevée, et la densité énergétique potentielle dépasse de loin celle des batteries traditionnelles à électrolyte liquide et des batteries semi-solides.
Fabrication et coût
Batterie semi-solide : Le processus de production est relativement simple, car une partie du processus de fabrication peut être utilisée dans la ligne de production existante de la batterie à électrolyte liquide, de sorte que le coût est inférieur à celui de la batterie à l'état solide.
Batterie à semi-conducteurs : Le processus de fabrication est complexe et la technologie est difficile. Le coût de production actuel est élevé, mais avec les progrès de la technologie et la production à grande échelle, le coût devrait diminuer.
Quels sont les avantages des piles semi-solides ?
1. Densité énergétique élevée
La limite supérieure de la densité énergétique des batteries lithium-ion liquides est généralement reconnue comme étant de l'ordre de 300Wh/kg-400Wh/kg. La densité énergétique théorique des batteries à l'état solide peut atteindre 700 Wh/kg, soit près du double des données actuelles sur les batteries au lithium les plus avancées.
2. Surmonter le problème de l'atténuation de la température
Les électrolytes solides sont utilisés dans les batteries semi-solides, et les électrolytes solides n'affectent pas les performances de la batterie en raison des basses températures. Cela résout efficacement le problème de la réduction de la durée de vie des batteries en hiver pour les véhicules purement électriques.
3. Sécurité accrue
Les piles semi-solides ou à l'état solide n'ont pas de substances liquides, ou les substances liquides sont fortement réduites. Par conséquent, en cas d'endommagement ou de perforation, elles éviteront efficacement la combustion spontanée ou l'explosion.
4. Durée de vie plus longue
Selon les données disponibles, la batterie semi-solide actuelle a un taux de rétention de capacité de plus de 85% après 2 000 cycles à température ambiante. Dans les mêmes conditions, les batteries liquides ordinaires ont un taux de rétention de capacité d'environ 80% seulement après 1 200 cycles.
D'où vient la technologie des batteries semi-solides ?
La technologie semi-solide est plutôt un produit à mi-parcours dans la recherche sur les batteries à l'état solide. Batteries à semi-conducteurs ont encore de nombreux problèmes en termes d'échelle, de commercialisation et de coût.
De nombreuses entreprises spécialisées dans les batteries choisissent d'accélérer d'abord la recherche et le développement des batteries semi-solides. Malgré cela, certains pensent encore que les batteries à l'état solide seront finalement difficiles à commercialiser, et les batteries semi-solides sont déjà la solution ultime pour les véhicules électriques.
Le 17 décembre 2023, NIO a diffusé en direct l'utilisation d'une batterie semi-solide de 150 kWh pour relever un défi d'autonomie de 1 000 km.
Selon les informations techniques actuellement publiées, l'électrolyte solide utilisé dans les piles à l'état solide repose sur des métaux rares et des processus complexes, ce qui est la principale raison de son coût.
Les piles semi-solides ne diffèrent des piles au lithium classiques que par environ 20% du processus. Elles sont basées sur la transformation des lignes de production de batteries existantes et peuvent être produites en masse plus rapidement. Par conséquent, en termes d'efficacité économique et de vitesse d'industrialisation, la technologie à l'état semi-solide est actuellement la meilleure pour les entreprises.
Fonctionnement des piles à l'état semi-solide
Comme toutes les piles, les piles semi-solides libèrent du courant par le biais de réactions chimiques entre les électrodes positives et négatives. Les piles semi-solides ont généralement des électrolytes qui sont plus proches du gel. Dans les batteries au lithium traditionnelles, les électrodes positives et négatives sont des "entrepôts d'énergie", et l'électrolyte est comme un "canal" qui permet aux ions lithium de se déplacer librement entre les électrodes positives et négatives. C'est pourquoi on l'appelle aussi batterie liquide.
Les batteries semi-solides ont innové dans le domaine des matériaux d'électrodes. Elles utilisent comme matériaux d'électrode de la "boue" formée par le mélange de fines particules de composé de lithium avec un électrolyte liquide. Cette conception hybride permet à la batterie de conserver le haut niveau de sécurité des batteries à l'état solide tout en bénéficiant du taux élevé de transmission d'ions des batteries à l'état liquide.
Le semi-solide est-il déjà disponible dans le commerce ?
Certaines entreprises ont commencé la production à petite échelle et l'ont appliquée à l'électronique grand public et aux véhicules électriques.
Par exemple, la marque automobile chinoise Zhiji a lancé cette fois-ci une batterie à l'état semi-solide. Selon la description officielle, la batterie contient à la fois des électrolytes solides et des électrolytes liquides.
En fait, Zhiji n'est pas la première entreprise de véhicules à énergie nouvelle à installer des batteries semi-solides. À la fin de l'année dernière, NIO a effectué un essai en conditions réelles de la NIO ET7 équipée d'une batterie semi-solide de 150 kWh, et l'autonomie réelle a dépassé 1044 km.
Cependant, il n'existe pas encore d'applications utilisant des batteries semi-solides que l'on puisse acheter. Ce n'est qu'en avril 2024 que NIO a lancé un événement de location de batteries semi-solides de 150 kWh.
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