État actuel et défis des batteries à semi-conducteurs
Les batteries à semi-conducteurs, en tant que technologie de la prochaine génération de batteries à semi-conducteurs, sont un élément essentiel de l'économie de l'énergie. batterie lithium-ionsont devenues un point chaud de la recherche mondiale en raison de leur densité énergétique élevée, de leur grande sécurité et de leur fonctionnement dans une large gamme de températures. Cependant, malgré leur énorme potentiel, le développement des piles à combustible n'est pas encore terminé. batterie à l'état solide Les piles à l'état solide sont encore confrontées à de nombreux défis et difficultés scientifiques. Cet article se penche sur l'état actuel, les avantages, les progrès de la recherche et les défis techniques des piles à l'état solide, et propose des suggestions de développement pour l'avenir.
Qu'est-ce qu'une batterie à semi-conducteurs ?
Une batterie lithium-ion traditionnelle se compose de quatre éléments principaux : la cathode, l'anode, l'électrolyte et le séparateur. Une batterie à l'état solide remplace l'électrolyte par un électrolyte solide. Par rapport aux batteries lithium-ion traditionnelles, la principale différence des batteries à l'état solide est que l'électrolyte passe de l'état liquide à l'état solide, ce qui permet d'équilibrer la sécurité et la haute densité énergétique.
Quels sont les avantages des batteries à semi-conducteurs ?
Du point de vue de la comparaison des performances, les piles à l'état solide sont théoriquement plus performantes que les piles liquides en termes de conductivité ionique, de densité énergétique, de résistance aux hautes pressions, de tolérance aux hautes températures et de durée de vie. Elles combinent une densité énergétique élevée et des caractéristiques de sécurité élevées que les piles au lithium liquide traditionnelles ne peuvent pas atteindre, ce qui en fait les piles les plus performantes du marché. meilleures piles rechargeables pour les véhicules électriques. Les avantages des batteries à semi-conducteurs se reflètent principalement dans :
1. Sécurité élevée : La sécurité élevée est le principal avantage des piles à l'état solide. Dans les piles liquides traditionnelles, l'anode peut produire des dendrites de lithium sous l'effet d'un courant élevé, ce qui peut percer le séparateur et provoquer un court-circuit interne. Les piles liquides utilisent des électrolytes organiques qui peuvent s'enflammer ou même exploser dans des conditions anormales telles qu'une température excessive ou des courts-circuits internes. Les piles à l'état solide utilisent des électrolytes solides, ininflammables, résistants aux températures élevées, chimiquement inertes et capables d'inhiber efficacement la croissance des dendrites de lithium. Par conséquent, les batteries à l'état solide peuvent améliorer de manière significative la sécurité des batteries.
2. Densité énergétique élevée : La densité énergétique des batteries liquides traditionnelles a presque atteint la limite théorique de 350Wh/kg. Les piles à l'état solide ont une large fenêtre électrochimique et peuvent supporter des tensions plus élevées (supérieures à 5 V), ce qui offre un plus large éventail de choix de matériaux. Ainsi, en utilisant des matériaux de cathode et d'anode à haute capacité, la densité énergétique peut atteindre 500Wh/kg ou même plus. batterie de voiture électrique
3. Faible encombrement : Les batteries liquides traditionnelles nécessitent l'utilisation de séparateurs et d'électrolytes, qui occupent près de 40% du volume de la batterie et 25% de son poids. Les batteries à l'état solide utilisent des électrolytes solides pour remplacer les séparateurs et les électrolytes des batteries liquides, réduisant la distance entre la cathode et l'anode à seulement quelques micromètres ou dizaines de micromètres, ce qui réduit considérablement l'épaisseur de la batterie. Par conséquent, à puissance égale, le volume des piles à électrolyte solide sera plus petit.
État actuel de la recherche et du développement en matière de batteries à l'état solide
Les batteries à l'état solide en sont encore au stade de la recherche et du développement, et diverses voies techniques centrées sur les matériaux électrolytiques n'ont pas encore été unifiées. Ces dernières années, les batteries à l'état solide sont devenues un axe de recherche mondial, mais de nombreuses voies techniques clés pour les batteries à l'état solide sont encore au stade exploratoire, montrant une tendance au développement diversifié.
En termes d'itinéraires techniques, les matériaux d'électrolyte, en tant que matériau de base essentiel pour les systèmes à l'état solide, ont actuellement trois itinéraires techniques principaux : les polymères, les sulfures et les oxydes.
En ce qui concerne le choix de la voie technique, les entreprises japonaises et coréennes adoptent principalement la voie technique de l'électrolyte solide sulfuré, tandis que les entreprises chinoises adoptent principalement les voies techniques de l'oxyde et du polymère. Les entreprises européennes et américaines font des choix diversifiés. Par exemple, la société américaine de batteries Solid Power, investie par BMW et Ford, développe principalement des batteries entièrement solides basées sur des sulfures, tandis qu'une autre société américaine de batteries, QuantumScape (QS), développe des batteries à l'état solide basées sur la voie des oxydes.
Défis scientifiques posés par les piles à l'état solide
Malgré l'attention sans précédent et les recherches intensives sur les batteries à l'état solide, de nombreux défis techniques subsistent. La recherche sur les matériaux d'électrolyte pour les systèmes à l'état solide en est encore au stade exploratoire et la technologie n'est pas encore au point, ce qui rend difficile la commercialisation à grande échelle à court terme.
En fonction de la teneur en électrolyte, les batteries peuvent être divisées en quatre catégories : liquides, semi-solides (teneur en électrolyte <10%), quasi-solides (teneur en électrolyte <5%) et entièrement solides (pas d'électrolyte). Ces trois dernières catégories sont généralement désignées collectivement sous le nom de batteries à l'état solide. En termes de faisabilité de la production de masse, les batteries à l'état solide ne sont pas réalisables du jour au lendemain, mais nécessitent une itération progressive à travers les catégories "semi-solide-quasi-solide-tout-solide".
1. Maturité technique : Du point de vue des voies techniques des piles à l'état solide, qu'il s'agisse de la voie des polymères, actuellement la plus mature, ou de la voie des sulfures, plus prometteuse, la technologie et le coût restent les principaux facteurs qui entravent la commercialisation des piles à l'état solide.
La technologie des piles à l'état solide se trouve encore dans la phase de transition entre la technologie mature et l'industrialisation, c'est-à-dire la phase de promotion de la technologie et de vérification de la production à grande échelle. On s'attend à ce que la technologie des piles à l'état solide soit commercialisée vers 2025 et qu'elle devienne progressivement la prochaine génération de piles au lithium.
2. Applicabilité : Par rapport au système de batterie liquide existant, bien que le système de batterie à l'état solide présente de nombreux avantages inégalés, des problèmes tels que la faible conductivité ionique des électrolytes solides, la vitesse de charge lente, le contact et la stabilité médiocres de l'interface solide-solide, et la sensibilité du matériau de l'électrolyte doivent être résolus. L'applicabilité doit encore être améliorée.
3. Les conditions d'industrialisation ne sont pas encore mûres : Par rapport à la technologie mature existante des piles au lithium liquide, les piles à l'état solide nécessitent une révision considérable de la chaîne d'approvisionnement des piles au lithium, qui est déjà extrêmement complexe. D'une part, le processus de fabrication est complexe et immature. En raison d'itinéraires techniques incertains, le processus de production des piles à l'état solide a du mal à arriver à maturité comme les piles au lithium ternaires existantes.
D'autre part, les coûts de fabrication sont élevés. Le processus de fabrication des piles à l'état solide est complexe, et le coût de production des piles à l'état solide utilisant des électrolytes solides et d'autres nouveaux matériaux technologiques est bien plus élevé que celui des matériaux correspondants existants. Le chemin vers la réduction des coûts est extrêmement ardu et long. En outre, la recherche sur les systèmes de matériaux pour batteries montre un écart considérable entre les résultats obtenus en laboratoire et les applications commerciales.
À l'heure actuelle, il existe très peu de piles à l'état solide ayant fait l'objet d'essais réels. Avec le niveau de processus et les capacités d'équipement existants, le rendement des produits finis ne peut être garanti, et ils sont loin d'atteindre le stade de la production de masse à grande échelle.
Mesures recommandées
1. Cultiver les démonstrations d'applications typiques et créer un écosystème ouvert pour accélérer le lancement des produits.
1.1. Dans le domaine des véhicules à énergie nouvelle, piloter progressivement des batteries semi-solides et quasi-solides afin de jeter les bases de la transition vers des batteries entièrement à l'état solide. Dans le contexte de voies techniques peu claires pour le développement industriel, se concentrer sur des voies techniques diversifiées pour les batteries à l'état solide et s'efforcer de commercialiser des batteries à l'état solide pour maintenir la position de leader et le développement durable de l'industrie chinoise des batteries d'énergie.
1.2. Optimiser les industries de soutien telles que les systèmes de gestion de l'énergie et les dispositifs électroniques de puissance autour des batteries à semi-conducteurs afin de créer une chaîne industrielle complète. Étudier et trier l'état actuel du développement technologique dans la chaîne industrielle, renforcer le soutien et l'orientation, la coopération industrie-université-recherche, la coopération en amont et en aval, et la construction d'une chaîne industrielle orientée vers le marché, en formant une force puissante pour s'attaquer aux technologies clés essentielles, et renforcer la construction de toute la chaîne industrielle afin d'améliorer la compétitivité globale de l'industrie.
1.3. Étudier les méthodes de soutien financier pour le premier lot de premières unités (ensembles) afin de partager les risques pour les entreprises pilotes innovantes de véhicules à batterie à l'état solide et d'accroître leur volonté. Promouvoir activement l'intégration profonde de la finance et de l'industrie, renforcer les garanties de services financiers pour le domaine des batteries à l'état solide, et construire un système de services de financement technologique solide pour mieux soutenir l'écosystème de l'industrie des batteries à l'état solide.
2. Approfondir l'ouverture et la coopération et renforcer le soutien et la coordination des éléments de la chaîne industrielle.
2.1. Établir un mécanisme d'échange interne à l'entreprise et accroître les efforts d'ouverture et de coopération. Encourager plusieurs entreprises et institutions de recherche du monde entier à établir des relations de coopération, à réaliser conjointement des échanges techniques par le biais de la formation technique, de l'apprentissage par l'observation et de séminaires, et à surmonter les difficultés liées au développement des batteries à l'état solide.
2.2. Intégrer les ressources avec les leaders de la chaîne industrielle pour promouvoir la coordination de la chaîne industrielle et améliorer la maturité de la chaîne industrielle. Tirer parti des avantages du nouveau système national, intégrer les ressources d'innovation, accélérer la collecte d'éléments et promouvoir l'intégration profonde de la chaîne industrielle et de la chaîne d'innovation.
2.3. Formuler des normes et améliorer les essais et la certification afin d'établir des normes uniformes pour l'industrie. La Chine devrait rapidement améliorer la conception de haut niveau, normaliser la taille des batteries, les essais de performance et les indicateurs de sécurité, et guider et encourager les entreprises à renforcer les échanges internationaux et la coopération en matière de normes pour les batteries à semi-conducteurs, à participer au processus de formulation des normes internationales et à construire progressivement un système complet de normes élevées pour promouvoir le développement rapide de l'industrialisation et de la commercialisation des applications.
Conclusion
