Pourquoi les piles au lithium à l'état solide sont-elles l'avenir ?

Avec l'essor des véhicules électriques, Les 10 premières entreprises de batteries d'énergie La recherche sur les batteries au lithium s'est de nouveau intensifiée. En plus de répondre aux exigences d'une grande autonomie et d'une forte puissance de charge et de décharge, la sécurité est particulièrement importante pour les batteries d'alimentation automobile. Les batteries au lithium liquide sont sujettes à la combustion spontanée et ont une faible densité énergétique volumétrique. Actuellement, les batteries lithium-ion commerciales dégagent beaucoup de chaleur en cas de court-circuit, ce qui enflamme les fluides électro-hydrauliques organiques et provoque des risques d'explosion.

Même les voitures Tesla, actuellement considérées comme les plus sûres, utilisent des systèmes de gestion des batteries et des dispositifs de protection complexes, et connaissent encore de nombreux incendies et explosions en l'espace de quelques années seulement. C'est pourquoi les scientifiques tentent de remplacer cet électrolyte organique par un électrolyte plus sûr pour des opérations plus adaptées. C'est pourquoi ils ont révélé l'utilisation de batterie au lithium à l'état solide des électrolytes.

Qu'est-ce que la batterie à l'état solide ?

Dans les batteries aqueuses ou organiques, on utilise des électrolytes liquides pour faciliter le mouvement des ions et des diaphragmes entre les électrodes de l'anode et de la cathode pour éviter les accidents de court-circuit. Au contraire, dans les batteries à l'état solide, des électrolytes solides sont utilisés à la place des électrolytes liquides et du séparateur. Il fonctionne bien à haute température (-73℃ à120℃), contrairement à l'électrolyte organique qui est limité (autour de 60 degrés Celsius). Son électrolyte est solide, avec une densité et une structure qui permettent à un plus grand nombre d'ions chargés de se rassembler à une extrémité, de conduire un courant plus important et d'augmenter la capacité de la batterie.

Par conséquent, à puissance égale, la batterie à semi-conducteurs sera plus petite. De plus, comme il n'y a pas d'électrolyte dans la batterie à semi-conducteurs, le stockage devient plus facile. Lorsqu'elle est utilisée sur de gros équipements tels que les automobiles, il n'est pas nécessaire d'ajouter des tuyaux de refroidissement supplémentaires, des commandes électroniques, etc. C'est pourquoi de nombreux fabricants de batteries commencent à développer des batteries à l'état solide, la batterie à l'état solide arriveL'utilisation commerciale est imminente.

Qu'est-ce que la batterie au lithium à l'état solide ?

Lorsque les ions lithium sont transportés entre les électrodes positives et négatives à travers une membrane solide, on parle de batterie au lithium à l'état solide. Dans cette batterie, les ions lithium stockés dans les électrodes cathodiques se déplacent vers la partie anodique pendant le processus de charge. En d'autres termes, pendant le processus de charge, le Li+ est libéré du film de l'électrode positive et subit une réaction de réduction dans le film de l'électrode négative à travers l'électrolyte ; le processus de décharge est l'inverse.

Les piles au lithium à l'état solide sont-elles possibles ?

Oui, les scientifiques ont déployé beaucoup d'efforts pour accélérer la popularité des batteries au lithium à l'état solide dans un avenir proche à des fins de sécurité. Le principal défi pour la commercialisation est que les électrolytes solides ont une faible conductivité ionique par rapport aux électrolytes liquides.

Cependant, les batteries à l'état solide présentent les caractéristiques suivantes : haute densité énergétique, résistance aux températures élevées, non volatile, non corrosive, petite taille, et elles évitent les principales faiblesses des batteries au lithium liquide traditionnelles. La capacité des piles au lithium à l'état solide a été améliorée ces dernières années pour atteindre une capacité proche de celle des piles à électrolyte liquide conventionnelles. On s'attend donc à ce qu'elle commence à remplacer l'électrolyte organique avec membrane sur le marché dans quelques années.

Dans combien de temps les batteries à l'état solide seront-elles disponibles ?

Toutes les entreprises de renom ont investi pour lancer la production de masse de batteries au lithium à l'état solide ; cependant, il reste encore quelques défis à relever avant de franchir cette étape. Le principal problème est le suivant : l'électrolyte de l'électrolyte solide est sensible à l'air, le contact avec l'interface solide est médiocre, la stabilité est mauvaise, etc.

Le deuxième problème est que le processus de fabrication est complexe, que le processus de production est immature et que le rendement des produits finis ne peut être garanti. En outre, le coût des piles à l'état solide est très élevé et le prix est très élevé. Il est donc plus difficile de produire le marché à grande échelle.

Quels sont les avantages et les inconvénients des piles à l'état solide ?

Sur la base de ce qui précède, les piles à l'état solide présentent de nombreux avantages et inconvénients. Le point fort des piles au lithium à l'état solide est qu'elles offrent une plus grande sécurité puisqu'elles ne contiennent pas d'électrolytes inflammables. En outre, une membrane solide empêche le court-circuit entre les électrodes de l'anode et de la cathode, qui résulte des dendrites de lithium. L'avantage supplémentaire est la légèreté, la haute sécurité, la haute densité d'énergie, la forte performance du cycle et le temps de charge plus court, par rapport à un liquide. Vous pouvez consulter ici les fabricants de matériaux de cathode Les 10 premiers fabricants de matériaux d'anode.

Le matériau d'anode lithium métal est devenu l'un des matériaux d'anode les plus importants pour toutes les batteries au lithium à l'état solide en raison de sa capacité élevée et de son faible potentiel, alors que le graphite est utilisé dans les batteries au lithium commerciales. Un autre avantage est que les batteries solides peuvent se charger 6 fois plus vite que les batteries lithium-ion conventionnelles.

Malgré ces atouts, les batteries solides souffrent encore de graves faiblesses, comme l'expansion du volume pendant la charge et la décharge, due à l'utilisation du lithium métal comme anode. Le coût de fabrication de la membrane reste élevé et compliqué. En outre, la durée de vie de la batterie reste courte par rapport à celle des batteries liquides, car le contact entre tous les composants solides de la batterie est médiocre et l'impédance de l'interface est trop importante.

Quels sont les matériaux utilisés par les piles à l'état solide ?

Les batteries solides ont la même configuration que les types liquides, mais l'électrolyte liquide et le diaphragme sont remplacés par une membrane solide. En général, la technologie des piles au lithium à l'état solide utilise des composés de verre à base de lithium, de sodium, etc. comme substances conductrices, l'anode est un métal au lithium et la cathode est un matériau au lithium comme le lithium. En ce qui concerne l'électrolyte solide, il est fabriqué à partir de matériaux céramiques ou polymères qui permettent le transport de l'ion lithium pendant la charge et la décharge, comme l'oxyde de lithium-lanthane-zirconium. Cependant, ce matériau doit être modifié pour assurer le comportement de la batterie.

Tesla dispose-t-elle d'une batterie à l'état solide ?

Tesla a dévoilé ses plans pour révéler un prototype de batterie à l'état solide de production dans la voiture électrique en 2025. D'après les informations officielles du propriétaire, cette batterie sera capable de recycler et d'extraire les métaux lourds pour une plus grande durabilité. Le taux de charge rapide et le poids léger de la batterie au lithium à l'état solide encouragent les constructeurs automobiles à aller de l'avant dans cette direction et à investir plus d'argent. Outre Tesla, de nombreux fabricants de batteries lithium-ion prévoient également d'utiliser des batteries à l'état solide. Les 10 premières entreprises de batteries à semi-conducteurs pour en savoir plus.

Les piles à l'état solide remplaceront-elles les piles au lithium-ion ?

Tout le personnel du secteur des batteries s'attendait à ce que la batterie solide soit utilisée à la place de la batterie lithium-ion (liquide) pour des raisons de sécurité absolue et de densité énergétique. De nombreuses recherches sont menées pour augmenter la durée de vie et la capacité de la batterie tout en conservant sa stabilité chimique et thermique. Pour éviter le changement de volume de l'anode en lithium métal, d'autres matériaux sont testés et améliorés pour assurer la stabilité mécanique.

Les piles à l'état solide utilisent-elles des diaphragmes ?

En effet, l'électrolyte solide a deux rôles, il facilite le transfert d'ions et sépare l'anode et la cathode pour éviter le problème de court-circuit. Par conséquent, la membrane solide doit être suffisamment résistante pour éviter la dendrite de lithium et suffisamment stable sur le plan chimique pour ne pas se dissoudre. En outre, la batterie au lithium à l'état solide doit avoir une conductivité ionique élevée pour les applications grand format.

Les batteries lithium-ion à l'état solide sont-elles meilleures que les autres batteries ?

De nombreux facteurs doivent être pris en compte lors du choix du type de batterie. La batterie au lithium à l'état solide est plus sûre, plus robuste et plus souple que les autres batteries, car elle contient moins de matériaux inflammables et ne présente pas de fuites. Cependant, elle souffre encore de graves problèmes tels qu'un coût élevé, un stockage d'énergie moindre et une durée de vie plus courte. Tous ces problèmes entravent la commercialisation de la batterie solide. Mais les scientifiques ont pour objectif d'améliorer encore la densité énergétique en utilisant des matériaux alternatifs moins coûteux dans un avenir proche.