Qual è la differenza tra una batteria allo stato semi-solido e una batteria allo stato solido?
Che cos'è una batteria allo stato semisolido?
Le batterie allo stato semisolido utilizzano un design ibrido di elettrolita solido ed elettrolita liquido. L'elettrodo su entrambi i lati della batteria non contiene elettrolita liquido, mentre l'elettrodo sull'altro lato contiene elettrolita liquido.
Il rapporto tra elettrolita solido ed elettrolita liquido non è uno a uno, ma è suddiviso in base alla proporzione di elettrolita liquido nella cella della batteria: liquido (25wt%), semi-solido (5-10wt%), quasi-solido (0-5wt%) e tutto-solido (0wt%).
Rispetto alle attuali batterie agli ioni di litio, le batterie semisolide hanno dimensioni ridotte, sono più stabili e sicure, possono raggiungere una maggiore densità energetica e sono molto più economiche delle batterie agli ioni di litio.
Qual è la differenza tra batteria allo stato semi solido e batteria allo stato completamente solido?
La batteria semi-solida non è una batteria allo stato solido. Tutte le batterie allo stato solido sono prive di elettrolita liquido. Sebbene la batteria semi-solida e la batteria allo stato solido siano simili in linea di principio, esistono differenze significative tra loro:
Materiali elettrolitici
Batterie semisolide: utilizzano una combinazione di elettroliti parzialmente solidi e parzialmente liquidi. L'elettrolita solido è solitamente un materiale ceramico o polimerico, mentre l'elettrolita liquido è un elettrolita liquido tradizionale. Questa combinazione può migliorare la conducibilità ionica e la stabilità interfacciale della batteria.
Batterie completamente solide: utilizzano elettroliti solidi completamente privi di componenti liquidi. Gli elettroliti solidi possono essere ceramiche, polimeri o altri materiali solidi, con elevata stabilità e sicurezza.
Sicurezza
Batterie semisolide: Rispetto alle batterie tradizionali a elettrolita liquido, la sicurezza è migliorata perché gli elettroliti parzialmente solidi possono ridurre il rischio di perdite di elettroliti liquidi. Tuttavia, poiché contiene ancora componenti liquidi, la sicurezza non è pari a quella delle batterie interamente solide.
Batterie completamente solide: L'utilizzo completo di elettroliti solidi elimina il rischio di perdite e combustione degli elettroliti liquidi e garantisce la massima sicurezza.
Densità di energia
Batterie semisolide: hanno una densità energetica maggiore perché gli elettroliti parzialmente solidi possono migliorare la stabilità complessiva e l'efficienza di carica e scarica della batteria, ma poiché contengono ancora componenti liquidi, la densità energetica non è così elevata come quella delle batterie interamente solide.
Batterie completamente solide: Grazie all'utilizzo completo di elettroliti solidi, è possibile ottenere una densità di energia più elevata e la densità di energia potenziale supera di gran lunga quella delle tradizionali batterie a elettroliti liquidi e delle batterie semisolide.
Produzione e costi
Batteria allo stato semisolido: Il processo di produzione è relativamente semplice, perché parte del processo di fabbricazione può essere utilizzato nella linea di produzione delle batterie a elettrolita liquido esistenti, quindi il costo è inferiore a quello delle batterie a stato solido.
Batteria a stato solido: Il processo di produzione è complesso e la tecnologia è difficile. Il costo di produzione attuale è elevato, ma con l'avanzamento della tecnologia e la produzione su larga scala si prevede una diminuzione dei costi.
Quali sono i vantaggi delle batterie semisolide?
1. Alta densità di energia
Il limite superiore della densità energetica delle batterie agli ioni di litio liquido è generalmente riconosciuto intorno ai 300Wh/kg-400Wh/kg. La densità energetica teorica delle batterie allo stato solido raggiunge i 700Wh/kg, quasi il doppio degli attuali dati delle batterie al litio più avanzate.
2. Superare il problema dell'attenuazione della temperatura
Gli elettroliti solidi sono utilizzati nelle batterie semisolide e non influiscono sulle prestazioni della batteria a causa delle basse temperature. Questo risolve efficacemente il problema dello sconto sulla durata della batteria in inverno per i veicoli elettrici puri.
3. Maggiore sicurezza
Le batterie semisolide o allo stato solido non contengono sostanze liquide o le sostanze liquide sono notevolmente ridotte. Pertanto, in caso di danneggiamento o perforazione, evitano efficacemente la combustione spontanea o l'esplosione.
4. Vita utile più lunga
Secondo i dati disponibili, l'attuale batteria semi-solida ha un tasso di conservazione della capacità superiore a 85% dopo 2.000 cicli a temperatura ambiente. Nelle stesse condizioni, le normali batterie liquide hanno un tasso di conservazione della capacità di soli 80% circa dopo 1.200 cicli.
Da dove viene la tecnologia delle batterie allo stato semisolido?
La tecnologia allo stato semisolido è più che altro un prodotto a medio termine nella ricerca delle batterie allo stato solido. Batterie allo stato solido hanno ancora molti problemi in termini di scala, commercializzazione e costi.
Molte aziende produttrici di batterie scelgono di accelerare prima la ricerca e lo sviluppo di batterie allo stato semi-solido. Ciononostante, c'è ancora chi ritiene che le batterie allo stato solido saranno difficili da commercializzare, e le batterie allo stato semisolido sono già la soluzione definitiva per i veicoli elettrici.
Il 17 dicembre 2023, NIO ha trasmesso in live-streaming l'utilizzo di una batteria allo stato semi-solido da 150 kWh per completare una sfida di autonomia di 1.000 km.
Secondo le informazioni tecniche attualmente pubblicate, l'elettrolita solido utilizzato nelle batterie allo stato solido si basa su metalli rari e su processi complessi, il che è la ragione principale che incide sul costo.
Le batterie semi-solide differiscono dalle batterie al litio mature solo per circa 20% del processo. Si basano sulla trasformazione delle linee di produzione delle batterie esistenti e possono essere prodotte in serie più rapidamente. Pertanto, in termini di efficienza economica e velocità di industrializzazione, la tecnologia a stato semisolido è attualmente la migliore per le imprese.
Come funzionano le batterie allo stato semisolido
Come tutte le batterie, quelle semisolide rilasciano corrente attraverso reazioni chimiche tra gli elettrodi positivi e negativi. Le batterie semisolide hanno di solito elettroliti più vicini al gel. Nelle batterie al litio tradizionali, gli elettrodi positivi e negativi sono "magazzini di energia" e l'elettrolita è come un "canale" che permette agli ioni di litio di muoversi liberamente tra gli elettrodi positivi e negativi. Per questo motivo, viene anche chiamata batteria liquida.
Le batterie semisolide hanno apportato innovazioni nei materiali degli elettrodi. Esse utilizzano come materiali elettrodici il "fango" formato dalla miscelazione di particelle fini di composti di litio con l'elettrolita liquido. Questo design ibrido consente alla batteria di mantenere l'elevata sicurezza delle batterie allo stato solido, pur avendo anche l'alto tasso di trasmissione degli ioni delle batterie liquide.
Il semisolido è già disponibile in commercio?
Alcune aziende hanno avviato una produzione su piccola scala e l'hanno applicata all'elettronica di consumo e ai veicoli elettrici.
Ad esempio, il marchio automobilistico cinese Zhiji ha lanciato questa volta una batteria allo stato semi-solido. Secondo la descrizione ufficiale, la batteria contiene sia elettroliti solidi che liquidi.
In realtà, Zhiji non è la prima azienda di veicoli a energia nuova a installare batterie allo stato semisolido. Alla fine dello scorso anno, NIO ha condotto un test di lunga durata del NIO ET7 dotato di una batteria semi-solida da 150 kWh e l'autonomia effettiva ha superato i 1044 km.
Tuttavia, non esistono ancora applicazioni che utilizzano batterie allo stato semisolido acquistabili. Solo nell'aprile 2024 NIO ha lanciato un evento di noleggio di batterie semi-solide da 150kwh.
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