В чем разница между полутвердым и твердым аккумулятором?
Что такое полутвердая батарея?
В полутвердых батареях используется гибридная конструкция из твердого и жидкого электролита. Электрод с одной стороны батареи не содержит жидкого электролита, а электрод с другой стороны содержит жидкий электролит.
Соотношение твердого и жидкого электролита не один к одному, а делится в зависимости от доли жидкого электролита в аккумуляторном элементе: жидкий (25wt%), полутвердый (5-10wt%), квазитвердый (0-5wt%) и полностью твердый (0wt%).
По сравнению с существующими литий-ионными батареями, полутвердые батареи имеют небольшие размеры, более стабильны и безопасны, могут достигать более высокой плотности энергии и намного дешевле литий-ионных батарей.
В чем разница между полутвердыми и полностью твердыми батареями?
Полутвердая батарея - это не вся твердая батарея. Все твердотельные батареи 100% не содержат жидкого электролита. Хотя полутвердая батарея и твердотельная батарея в принципе похожи, между ними есть существенные различия:
Электролитные материалы
Полутвердые батареи: используют комбинацию частично твердых электролитов и частично жидких электролитов. Твердый электролит обычно представляет собой керамический или полимерный материал, а жидкий электролит - традиционный жидкий электролит. Такое сочетание позволяет улучшить ионную проводимость и межфазную стабильность батареи.
Цельнолитые батареи: используют твердые электролиты, полностью лишенные жидких компонентов. Твердые электролиты могут быть керамикой, полимерами или другими твердыми материалами, обладающими высокой стабильностью и безопасностью.
Безопасность
Полутвердые батареи: По сравнению с традиционными батареями с жидким электролитом, безопасность повышается, поскольку частично твердый электролит позволяет снизить риск утечки жидкого электролита. Однако, поскольку в них по-прежнему присутствуют жидкие компоненты, их безопасность не так высока, как у полностью твердых батарей.
Цельнолитые батареи: Поскольку полностью используются твердые электролиты, риск утечки и возгорания жидких электролитов исключен, а безопасность является наивысшей.
Плотность энергии
Полутвердые батареи: имеют более высокую плотность энергии, поскольку частично твердые электролиты могут повысить общую стабильность и эффективность заряда и разряда батареи, но поскольку в них все еще присутствуют жидкие компоненты, плотность энергии не так высока, как у полностью твердых батарей.
Цельнолитые батареи: Поскольку твердый электролит используется полностью, можно достичь более высокой плотности энергии, и потенциальная плотность энергии значительно превышает плотность энергии традиционных батарей с жидким электролитом и полутвердых батарей.
Производство и стоимость
Полутвердотельная батарея: Процесс производства относительно прост, так как часть производственного процесса может быть использована в существующей линии по производству батарей с жидким электролитом, поэтому стоимость ниже, чем у полностью твердотельных батарей.
Полностью твердотельный аккумулятор: Процесс производства сложен, а технология трудна. В настоящее время стоимость производства высока, но с развитием технологий и крупномасштабного производства ожидается снижение стоимости.
В чем преимущества полутвердых батарей?
1. Высокая плотность энергии
Верхний предел плотности энергии жидких литий-ионных батарей, по общему признанию, составляет около 300 Вт-ч/кг-400 Вт-ч/кг. Теоретическая плотность энергии твердотельных батарей достигает 700 Вт-ч/кг, что почти вдвое превышает текущие данные самых современных литиевых батарей.
2. Преодоление проблемы температурного затухания
Твердые электролиты используются в полутвердых батареях, и твердые электролиты не влияют на работу батареи из-за низких температур. Это эффективно решает проблему сокращения срока службы батареи зимой для чисто электрических автомобилей.
3. Повышенная безопасность
Полутвердые или твердотельные батареи не содержат жидких веществ или их количество значительно снижено. Поэтому при повреждении или проколе они эффективно предотвращают самовозгорание или взрыв.
4. Более длительный срок службы
Согласно имеющимся данным, нынешняя полутвердая батарея сохраняет емкость более 85% после 2 000 циклов при комнатной температуре. В тех же условиях обычные жидкие батареи сохраняют емкость только около 80% после 1200 циклов.
Откуда взялась технология полутвердых аккумуляторов?
Полутвердотельная технология - это скорее промежуточный продукт в исследовании полностью твердотельных батарей. Твердотельные аккумуляторы По-прежнему существует множество проблем с точки зрения масштаба, коммерциализации и стоимости.
Многие компании, производящие аккумуляторы, предпочитают в первую очередь ускорить исследования и разработку полутвердых батарей. Несмотря на это, до сих пор есть люди, которые считают, что твердотельные батареи в конечном итоге будет сложно коммерциализировать, и полутвердотельные батареи уже являются оптимальным решением для электромобилей.
17 декабря 2023 года компания NIO провела прямую трансляцию использования полутвердотельного аккумулятора емкостью 150 кВт/ч для выполнения задания по преодолению 1000 км.
Согласно опубликованной в настоящее время технической информации, твердый электролит, используемый в твердотельных батареях, основан на использовании редких металлов и сложных технологических процессов, что является ключевой причиной, влияющей на стоимость.
Полутвердотельные батареи отличаются от старых литиевых батарей лишь примерно 20% процесса. Они основаны на преобразовании существующих линий по производству аккумуляторов и могут быть запущены в массовое производство быстрее. Поэтому с точки зрения экономической эффективности и скорости индустриализации полутвердотельная технология в настоящее время является наилучшей для предприятий.
Как работают полутвердые батареи
Как и все аккумуляторы, полутвердые батареи отдают ток в результате химических реакций между материалами положительного и отрицательного электродов. В полутвердых батареях электролит обычно ближе к гелю. В традиционных литиевых батареях положительный и отрицательный электроды являются "хранилищами энергии", а электролит - это как бы "канал", позволяющий ионам лития свободно перемещаться между положительным и отрицательным электродами. Поэтому их также называют жидкими батареями.
Полутвердые батареи стали инновацией в области электродных материалов. В качестве электродных материалов в них используется "грязь", образующаяся при смешивании мелких частиц литиевых соединений с жидким электролитом. Такая гибридная конструкция позволяет батарее сохранять высокую безопасность твердотельных батарей и в то же время иметь высокую скорость передачи ионов, свойственную жидким батареям.
Имеются ли уже в продаже полутвердые материалы?
Некоторые компании начали мелкосерийное производство и применяют его в бытовой электронике и электромобилях.
Например, китайский автомобильный бренд Zhiji на этот раз выпустил полутвердотельную батарею. Согласно официальному описанию, батарея содержит как твердые, так и жидкие электролиты.
На самом деле, Zhiji - не первая компания по производству новых энергетических транспортных средств, устанавливающая полутвердотельные батареи. В конце прошлого года компания NIO провела длительные испытания NIO ET7, оснащенного полутвердой батареей емкостью 150 кВт/ч, и фактический запас хода превысил 1044 км.
Однако до сих пор не существует приложений, использующих полутвердые батареи, которые можно было бы купить. Только в апреле 2024 года компания NIO запустила акцию по аренде полутвердых батарей емкостью 150 кВт/ч.
RU 
EN 
FR 
ES 
DE 
IT 
PT 
ID 
SL 
KO 