Batteries à semi-conducteurs et leurs principaux matériaux

Qu'est-ce qu'une batterie solide ? La batterie lithium-ion traditionnelle comprend quatre composants principaux : une électrode positive, une électrode négative, un électrolyte et un séparateur. Une batterie à semi-conducteurs remplace l'électrolyte par un électrolyte solide. Par rapport aux batteries lithium-ion traditionnelles, la principale différence des batteries à semi-conducteurs réside dans le fait que l'électrolyte est passé de liquide à solide, avec à la fois sécurité et densité énergétique élevée. Les batteries à électrolyte solide sont la forme ultime de batteries au lithium et au sodium, qui peuvent résoudre complètement les problèmes de sécurité et sont sans aucun doute le protagoniste de la seconde moitié du marché des nouvelles énergies. La chaîne industrielle des batteries à semi-conducteurs est à peu près similaire à celle des batteries au lithium liquide. L’amont comprend les matières premières, l’exploitation minière, les machines et équipements ainsi que les matériaux de base. La principale différence entre les deux réside dans les types de matériaux d’électrode négative et d’électrolytes. Les matériaux des électrodes positives sont presque les mêmes. S'il devient entièrement une batterie à semi-conducteurs, le séparateur sera également complètement remplacé. Le milieu de la chaîne industrielle est le processus de traitement et de préparation des batteries, et les domaines d'application en aval de la chaîne industrielle comprennent les véhicules à énergies nouvelles, les systèmes de stockage d'énergie, l'électronique grand public, etc.

Les avantages des batteries à semi-conducteurs sont :

(1) Les électrolytes solides sont utilisés pour remplacer les électrolytes liquides et les séparateurs. Les électrolytes solides ont un point d'inflammation très élevé, ce qui améliore la stabilité thermique de la batterie ;

(2) La plate-forme de tension des batteries à semi-conducteurs est de 5 V, supérieure à celle de 4,3 V des batteries liquides, qui peut correspondre aux matériaux d'électrode haute tension, et la densité énergétique et la capacité spécifique de la batterie sont meilleures que celles des batteries liquides ;

(3) Les électrolytes solides ne sont pas fluides, il n'y a donc pas de fuite, ce qui simplifie la conception de la batterie, réduit le poids et le volume de la batterie, et la densité énergétique devrait dépasser 300 Wh/kg.

Électrolyte solide

L'électrolyte à l'état solide est le composant central des batteries lithium-ion à l'état solide, qui peut servir à la fois de séparateur et d'électrolyte de la batterie. Le rôle principal de l’électrolyte est de transmettre le Li+ entre les électrodes positives et négatives. Les électrolytes solides idéaux doivent avoir une conductivité ionique élevée, une faible impédance d'interface, une structure stable, une sécurité élevée, une résistance mécanique élevée et un prix bas. Actuellement, sur la base de différents électrolytes, il peut être principalement divisé en électrolytes polymères à l’état solide et en électrolytes inorganiques à l’état solide. Le système représentatif du premier est l’oxyde de polyéthylène PEO ; ce dernier est les systèmes oxyde, sulfure et halogénure.

Matériaux cathodiques

Les principaux matériaux de cathode pour les batteries à semi-conducteurs sont : l’oxyde de lithium-cobalt, le phosphate de fer et de lithium, l’oxyde de lithium-nickel-cobalt et l’oxyde d’aluminium et de lithium-cobalt.

(1) Oxyde de lithium-cobalt : un matériau cathodique couramment utilisé dans les batteries lithium-ion, qui peut fournir une densité énergétique élevée et une longue durée de vie, mais il existe des problèmes de sécurité.

(2) Phosphate de fer et de lithium : comparé à l'oxyde de lithium et de cobalt, le phosphate de fer et de lithium a une meilleure sécurité et une durée de vie plus longue, mais sa densité énergétique est plus faible.

(3) Oxyde de lithium, nickel et cobalt : haute densité énergétique et longue durée de vie, mais le coût du matériau est élevé et il existe des problèmes de sécurité.

(4) Oxyde de lithium-cobalt-aluminium : haute densité énergétique, mais la durée de vie est légèrement inférieure à celle de l'oxyde de lithium-nickel-cobalt.

(5) Combinaisons de plusieurs matériaux dans des électrolytes à l'état solide : par exemple, l'oxyde de lithium et de manganèse (LiMn2O4) et le titanate de lithium (Li4Ti5O12) peuvent offrir une sécurité plus élevée et une durée de vie plus longue, mais la densité énergétique est relativement faible.

Matériaux d'anodes

Les matériaux d'électrode négative pour les batteries à semi-conducteurs comprennent principalement trois types : le lithium métal, les matériaux carbonés et les matériaux silicium.

(1) Le lithium métal est principalement utilisé dans les batteries lithium-ion à semi-conducteurs et les batteries lithium-soufre à semi-conducteurs. Parmi elles, les batteries lithium-ion à semi-conducteurs sont un type de batterie à haute densité énergétique qui peut être appliquée dans des domaines tels que les véhicules électriques et les drones. D'autre part, les batteries lithium-soufre à semi-conducteurs sont des batteries à haute densité énergétique et haute sécurité, adaptées aux applications dans les domaines aérospatial, militaire et autres.

（2）Les matériaux carbonés sont principalement utilisés dans les batteries lithium-ion à semi-conducteurs. Les nanotubes de carbone, un matériau carboné courant, ont une surface spécifique élevée et d'excellentes performances électrochimiques, ce qui les rend adaptés à une utilisation dans les batteries lithium-ion à semi-conducteurs hautes performances.

(3) Le silicium est un nouveau matériau d'électrode négative qui offre une capacité spécifique élevée et un faible coût. Dans les batteries à semi-conducteurs, le silicium peut réagir avec les électrolytes solides pour former des ions lithium, permettant ainsi la charge et la décharge de la batterie. Comparé aux matériaux au lithium métal et au carbone, le silicium a une capacité spécifique plus élevée, mais sa stabilité de cycle est relativement mauvaise, sujette à l'expansion du volume et aux dommages structurels. Les matériaux à base de silicium sont principalement utilisés dans les batteries lithium-ion à semi-conducteurs. Parmi eux, les nanofils de silicium, un matériau de silicium courant, possèdent une surface spécifique élevée et d'excellentes performances électrochimiques, adaptées à une utilisation dans des batteries lithium-ion à semi-conducteurs de haute performance.

Séparateur

Le matériau séparateur est un composant essentiel des batteries à semi-conducteurs, principalement utilisé pour isoler les électrodes positives et négatives afin d’empêcher la conduction électronique. La composition des matériaux séparateurs comprend principalement des polymères, des poudres nanométriques, etc. La recherche suggère qu'un revêtement double couche peut être utilisé comme alternative à un séparateur, avec une couche d'électrolyte inorganique à l'état solide recouverte des deux côtés de la feuille d'électrode négative et une couche de polymère organique recouverte sur la surface du solide inorganique. couche d'électrolyte d'état. Actuellement, certains pensent que les batteries entièrement solides au sulfure et à l’oxyde ne nécessitent pas de séparateur. De plus, divers brevets publiés pour les batteries à semi-conducteurs ont proposé le concept de séparateurs composites, tels que les séparateurs composites inorganiques-organiques.

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