Dans la vague actuelle du développement vigoureux de nouvelles technologies énergétiques, la batterie à semi-conducteurs, en tant que technologie de batterie de nouvelle génération très prometteuse, a attiré une attention particulière de tous les horizons. Alors que les exigences des gens pour l'endurance des appareils électroniques et le practice des véhicules électriques continuent d'augmenter et que leur accent mis sur les performances de sécurité des batteries augmente de jour en jour, la batterie à semi-conducteurs est très prévue pour aborder de nombreux points de douleur des batteries lithium-ion liquides traditionnelles en termes de sécurité et de gamme. Cependant, avant sa vulgarisation et son application à grande échelle, une question clé persiste dans l'esprit des consommateurs: la batterie à semi-conducteurs est-elle sûre et capable de fournir à longue portée? Pour répondre à cette question, nous devons nous plonger dans le mécanisme de travail, les caractéristiques techniques et la recherche actuelle et l'état d'application des batteries à semi-conducteurs.
Principe de travail et caractéristiques structurelles de la batterie à semi-conducteurs
La différence de base entre la batterie à semi-conducteurs et la batterie traditionnelle du lithium-ion liquide se trouve sous la forme d'électrolyte. Les batteries de lithium-ion liquide traditionnelles utilisent un électrolyte liquide pour atteindre le processus de charge et de décharge par le mouvement des ions lithium entre les électrodes positives et négatives. En revanche, les batteries à semi-conducteurs utilisent des électrolytes solides, qui sont généralement fabriqués en matériaux de céramique, de polymère ou de sulfure. Dans les batteries à semi-conducteurs, les ions lithiums se désintercalatent également de l'électrode positive pendant la charge et l'intercalate dans l'électrode négative à travers l'électrolyte solide; Pendant la décharge, ils se déplacent dans la direction opposée, tandis que les électrons s'écoulent de l'électrode négative vers l'électrode positive à travers le circuit externe, générant un courant pour alimenter l'appareil.
L'utilisation d'électrolyte solide endows les batteries à l'état solide avec des caractéristiques structurelles uniques. Par rapport à l'électrolyte liquide, qui nécessite un séparateur pour empêcher les court-circuites entre les électrodes positives et négatives, l'électrolyte solide a lui-même les doubles fonctions de conduction ionique et d'isolement des électrodes, ce qui rend la structure de la batterie plus compacte. Pendant ce temps, l'électrolyte solide présente une stabilité plus élevée et est moins sujet à la volatilisation et à la fuite, jetant une base pour améliorer les performances de sécurité de la batterie.
Performances de sécurité de la batterie à semi-conducteurs
Les batteries traditionnelles de lithium-ion liquide présentent un risque de running thermique dans des conditions à haute température. Lorsque la température de la batterie dépasse un certain seuil, comme 80 degrés, l'électrolyte liquide peut se décomposer pour produire des gaz inflammables et des réactions latérales à l'intérieur de la batterie, conduisant à une accumulation rapide de chaleur et, ce qui a finalement provoqué la pige de la batterie ou même exploser. Les données de l'Agence allemande de test Tüv révèlent clairement ce danger caché.
Les batteries à semi-conducteurs présentent des avantages importants dans la stabilité thermique. En raison de l'absence de composants liquides volatils et inflammables dans l'électrolyte solide, sa stabilité thermique est beaucoup plus élevée que celle de l'électrolyte liquide. Le test de ponction effectué par la nouvelle organisation de développement de l'énergie et des technologies industriels (NEDO) du Japon est impressionnant: lorsqu'une aiguille en acier perce une batterie à semi-conducteurs, la température de la batterie n'augmente que de 2 degrés, tandis qu'une batterie lithium-ion liquide traditionnelle prendra feu et explosera en seulement 3 secondes. Ce résultat expérimental démontre visuellement la sécurité supérieure des batteries à l'état solide face à des abus mécaniques extrêmes.
Dans un article intitulé "Les batteries à semi-conducteurs sont-elles plus sûres que les batteries (liquides) lithium-ion?" Publiés dans Science en avril 2022, les chercheurs ont discuté des limites de libération de chaleur et de la température des batteries lithium-ion liquides, des batteries semi-solides avec une certaine quantité d'électrolyte et des batteries tout solides sous trois scénarios de fuite thermique. L'étude a révélé que dans l'état de fuite thermique causé par un chauffage externe, les batteries entièrement solides surperforment les batteries semi-solides et lithium-ion liquide. La densité élevée d'électrolyte solide dans les batteries entièrement solides peut former une barrière de gaz efficace, empêchant le contact entre le lithium sur l'électrode négative et l'oxygène libéré à partir de l'électrode positive. Dans ce scénario hypothétique, il n'y aurait pas de libération de chaleur significative.
Inhibition de la croissance de la dendrite au lithium
Pendant le processus de charge et de décharge des batteries de lithium-ion liquide traditionnelles, les ions lithiums peuvent cristalliser directement à la surface de l'électrode négative pendant la charge rapide, formant des dendrites de lithium dangereuses. La croissance des dendrites au lithium entraîne non seulement la désintégration de la capacité de la batterie, mais peut également percer le séparateur, provoquant un court-circuit entre les électrodes positives et négatives et déclenchant un incident de sécurité. Ce danger caché a été révélé par des ingénieurs de CATL.
Les batteries à l'état solide montrent un potentiel dans l'inhibition de la croissance de la dendrite au lithium. La structure et les propriétés spéciales de l'électrolyte solide peuvent fournir un chemin plus uniforme pour la migration des ions au lithium, réduisant la possibilité d'une formation de dendrite au lithium. Bien que l'élimination complètement de la croissance de la dendrite au lithium pose toujours des défis dans les applications pratiques, la tendance à l'amélioration des batteries à semi-conducteurs à cet égard est évidente par rapport aux batteries lithium-ion liquides.
Risques de sécurité potentiels
Malgré les nombreux avantages des batteries à semi-conducteurs en termes de sécurité, ils ne sont pas absolument sûrs. Dans certains cas extrêmes, comme lorsque l'électrolyte solide échoue ou que les dendrites au lithium pénètrent dans l'électrolyte solide, provoquant un court-circuit, la sécurité des batteries entièrement solides et des batteries semi-solides n'est pas supérieure à celle des batteries liquides au lithium-ion. Le professeur Ai Xinping de l'École de chimie et des sciences moléculaires de l'Université de Wuhan souligne que l'affirmation selon laquelle les batteries tout solides ont à la fois une densité d'énergie élevée et une bonne sécurité implique en fait un tour de passe-main conceptuel. Parce que certains matériaux dans les batteries à semi-conducteurs peuvent produire des gaz toxiques tels que le sulfure d'hydrogène en cas d'accident, bien qu'ils ne brûlent pas directement des personnes comme les batteries traditionnelles, le sulfure d'hydrogène est toxique et peut nuire gravement au corps humain.
Potentiel de la batterie à semi-conducteurs dans la plage
En théorie, les batteries à l'état solide ont le potentiel d'atteindre une densité d'énergie élevée, ce qui devrait améliorer considérablement l'endurance des appareils. L'électrolyte solide permet d'utiliser du lithium métallique pur comme électrode négative, ce qui augmente considérablement la capacité de stockage d'énergie par unité de volume. Les données expérimentales du Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology of the Chinese Academy of Sciences montrent que la densité d'énergie de leurs échantillons de batterie à semi-conducteurs a dépassé 500WH \/ kg, tandis que la densité d'énergie de la batterie 21700 utilisée dans Tesla Model 3 n'est que 260Wh \/ kg.
Prenant l'exemple des véhicules électriques, le practice a toujours été au centre de l'attention des consommateurs. La batterie de Kunpeng de Chery, en tant que représentant des batteries à semi-conducteurs, prévoit d'atteindre une densité d'énergie de 400 whg \/ kg en 2024 et de l'augmenter à 600 wh \/ kg en 2025. Selon le plan, lorsqu'il est produit en masse en 2027, la plage de conduite électrique pure devrait dépasser 1500 km. Si ces objectifs sont atteints, il atténuera considérablement l'anxiété de portée des utilisateurs de véhicules électriques.
Défis dans la plage réelle
Cependant, du laboratoire aux applications pratiques, les batteries à semi-conducteurs sont toujours confrontées à certains défis en termes de plage. Premièrement, l'impédance de l'interface entre l'électrolyte solide et les électrodes est relativement proéminente, ce qui s'apparente à la mise en place d'une cabine de péage sur une autoroute, entravant la transmission rapide des ions lithium et affectant l'efficacité de charge et de décharge de la batterie, ce qui a un impact adverse sur la plage. Deuxièmement, la faille mortelle de l'électrolyte sulfure, qui produit un sulfure d'hydrogène hautement toxique lorsqu'elle est exposée à l'eau, augmente non seulement les risques de sécurité pendant la production et l'utilisation de la batterie, mais pose également de graves défis à la stabilité et à la fiabilité de la batterie. De plus, le faible rendement en préparation de films électrolytiques solides entraîne des coûts de production élevés à grande échelle, ce qui limite l'application généralisée de batteries à semi-conducteurs et affectant indirectement le processus de démonstration de leurs avantages à longue portée sur le marché.
Conclusion et perspectives
En résumé, les batteries à semi-conducteurs démontrent un potentiel significatif en termes de sécurité et de portée. En termes de sécurité, leurs avantages de stabilité thermique sont évidents, et ils peuvent inhiber efficacement la croissance de la dendrite au lithium, ce qui les rend plus sûres et fiables que les batteries traditionnelles de lithium-ion liquide dans la plupart des cas. Cependant, face à des situations extrêmes telles qu'une défaillance d'électrolyte solide, il existe encore certains risques de sécurité. En termes de plage, l'avantage théorique de la densité d'énergie élevée offre la possibilité d'une portée à long terme, et certaines données expérimentales et plans d'entreprise présentent également des perspectives prometteuses. Cependant, dans les applications pratiques, des problèmes tels que l'impédance d'interface, les défauts d'électrolyte et le coût sont devenus des obstacles entravant la pleine réalisation de leurs avantages à long terme.
Malgré de nombreux défis, les batteries à semi-conducteurs sont toujours considérées comme une direction de développement importante pour les technologies de batterie de nouvelle génération.