Quelle est la différence entre les batteries à semi-conducteurs et les batteries à flux ?
1. Différences de processus entre les batteries à l'état solide et les batteries liquides traditionnelles
Les batteries à l'état solide utilisent des électrolytes solides pour remplacer l'électrolyte et le séparateur des batteries liquides traditionnelles. Les batteries au lithium liquide traditionnelles sont composées de quatre éléments clés : une électrode positive, une électrode négative et une
électrolyte de batterie
et
séparateur
Les batteries à l'état solide utilisent des électrolytes solides pour remplacer l'électrolyte et
séparateur
dans les batteries liquides traditionnelles.
Les batteries tout solides utilisant un nouveau système de matériaux et une nouvelle structure, le procédé et les équipements de fabrication traditionnels des batteries au lithium ne permettent pas une production et une production industrielles optimales. Des innovations et des améliorations sont donc nécessaires. À l'heure actuelle, les batteries tout solides ne sont pas encore produites en série ; leur processus de production n'est donc pas finalisé. Les procédés de production et de fabrication des différents types de batteries solides varieront selon leur conception et leur application. Il est toutefois certain qu'il existe des différences significatives entre le procédé de production des batteries tout solides et celui des batteries liquides traditionnelles. Ces différences se reflètent principalement dans les aspects suivants :
1.1 Lien de production de feuilles d'électrodes frontales
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Batteries au lithium traditionnelles : en utilisant la technologie de suspension humide et de revêtement, le matériau actif, l'agent conducteur et le liant sont mélangés dans une suspension puis appliqués sur le collecteur de courant, suivis d'un séchage et d'un laminage.
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Batterie à semi-conducteurs : introduction de la technologie des électrodes sèches, élimination des solvants et préparation directe des feuilles d'électrodes par procédés de coulis sec et de revêtement. De plus, la membrane électrolytique doit être revêtue et laminée pour former une couche d'électrolyte solide.
1.2 Lien d'assemblage des cellules de batterie à mi-parcours
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Batterie au lithium traditionnelle : à l'aide d'un processus d'enroulement ou de laminage, les feuilles d'électrodes positives et négatives et les diaphragmes sont enroulés dans des cellules de batterie, puis l'électrolyte est injecté et conditionné.
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Batterie à semi-conducteurs : Le procédé de laminage, associé à l'impression de cadres collés sur feuille d'électrode et à la technologie de pressage isostatique, assure un contact étroit entre l'électrolyte solide et l'électrode. Les batteries entièrement solides ne nécessitant pas d'électrolytes, le procédé d'injection est supprimé.
1.3 Formation post-étape et lien de conditionnement
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Batterie au lithium traditionnelle : après emballage, la batterie est activée par formation à basse pression.
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Batterie à l'état solide : en raison des exigences élevées de conductivité ionique des électrolytes solides, le processus de formation a tendance à être à haute pression pour optimiser les performances de la batterie.
En général, les principales différences entre le processus de production de base des batteries entièrement solides et des batteries au lithium liquide traditionnelles sont les suivantes :
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Dans le processus de production d'électrolytes solides et de feuilles d'électrodes en amont, les batteries entièrement solides sont plus adaptées à la technologie des électrodes sèches, et un mélange à sec et un revêtement sec sont ajoutés pour réaliser la préparation de la membrane d'électrolyte solide ;
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Dans le processus d'assemblage des cellules de batterie à l'étape intermédiaire, les batteries à semi-conducteurs utilisent la « technologie d'empilage + impression de cadre de colle de feuille d'électrode + pressage isostatique » pour remplacer le processus d'enroulement traditionnel et supprimer le processus d'injection ;
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Dans le processus de formation et d'emballage du back-end, la conversion de la composition chimique en composition chimique haute tension.
2. Procédé de batterie à semi-conducteurs
2.1 La technologie des électrodes sèches est plus adaptée aux batteries à semi-conducteurs
Le principal avantage de la technologie des électrodes sèches réside dans l'augmentation de leur densité de compactage, augmentant ainsi la densité énergétique de la batterie. Ce nouveau procédé de fabrication d'électrodes sèches présente l'avantage majeur d'augmenter leur densité de compactage. Actuellement, les batteries au lithium utilisent principalement la technologie traditionnelle de fabrication par électrodes humides. Ce procédé nécessite l'utilisation de solvants pour mélanger les matériaux actifs, les agents conducteurs et les liants, puis les enduire du collecteur de courant. Enfin, le séchage, la récupération des solvants NMP et le laminage sont effectués. La technologie des électrodes sèches mélange directement les matériaux d'électrode en poudre sèche et les presse mécaniquement sur le collecteur de courant pour former une feuille d'électrode. Cette méthode permet d'augmenter la densité de compactage de l'électrode. Pour les batteries à semi-conducteurs, une densité de compactage plus élevée permet d'intégrer davantage de matériaux d'électrodes positives et négatives dans un même volume, augmentant ainsi la densité énergétique de la batterie.
La technologie des électrodes sèches est plus adaptée aux batteries à haute densité énergétique, telles que les batteries solides. Son concept est similaire à celui des batteries solides. Dans les batteries tout solides, les électrolytes sulfurés sont sensibles aux solvants organiques, et le lithium métallique réagit facilement avec les solvants, provoquant une dilatation. Le système PVDF-NMP traditionnel présente une force de liaison limitée, tandis que la structure en réseau bidimensionnelle composée de fibrillation de PTFE (polytétrafluoroéthylène) de l'électrode sèche peut inhiber la dilatation volumique des particules de matériau actif et les empêcher de se détacher de la surface du collecteur de courant.
De plus, grâce au procédé d'électrode sèche, la feuille d'électrode des batteries à semi-conducteurs peut être entièrement séchée, éliminant ainsi le problème des molécules de solvant résiduelles après séchage par voie humide. La technologie des électrodes sèches est donc plus adaptée à la production de batteries à semi-conducteurs.
La technologie des électrodes sèches simplifie le procédé et améliore l'efficacité, présente des avantages en termes de coûts et favorise la commercialisation des batteries à semi-conducteurs. Le procédé d'électrodes sèches permet de simplifier la production, de réduire les coûts et d'améliorer l'efficacité. La fabrication de feuilles d'électrodes sèches ne nécessite pas de solvant NMP, et les étapes de séchage et de récupération du solvant sont réduites. Le procédé de fabrication des électrodes est intégré, tout comme les processus de mélange, de réduction en pâte, d'enrobage, de séchage, de laminage et autres requis par le procédé humide. Le flux de production est plus simple et l'équipement occupe une surface plus réduite. Selon les prévisions de Nanoconol, la production en série d'électrodes sèches peut réduire le coût des batteries de plus de 10 %. De plus, la technologie simplifiée des électrodes sèches est adaptée à la production à grande échelle de feuilles d'électrodes de batteries. Par conséquent, la technologie des électrodes sèches est considérée comme l'une des technologies clés pour promouvoir la commercialisation des batteries à semi-conducteurs.
La principale difficulté actuelle de la technologie des électrodes sèches : Selon Nanoconol, la principale difficulté réside dans l'uniformité de la poudre de matériau d'électrode mélangée et la régularité de la formation du film. Dans le domaine des équipements, le procédé à sec impose des exigences plus élevées en termes de précision, d'uniformité et de densité de compactage du laminage.
2.2 Assemblage des cellules de batterie de la section centrale : adopter la technologie « empilage + impression sur cadre de colle de feuille d'électrode + pressage isostatique »
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Machine d'empilage d'électrodes
:Les batteries à semi-conducteurs ne conviennent pas aux équipements d'enroulement et nécessitent l'utilisation de machines d'empilage et des exigences de précision plus élevées.
Les batteries solides et liquides nécessitent toutes deux l'utilisation de machines d'empilage. Cependant, l'électrolyte solide des batteries solides étant fragile et exigeant des équipements de précision et de stabilité plus rigoureux, il nécessite davantage de processus d'empilage. Par conséquent, la demande de machines d'empilage nécessaires à la fabrication de batteries solides va également augmenter.
2. Technologie de stratification de cadre de colle de feuille d'électrode de batterie à semi-conducteurs : améliore l'ajustement des feuilles d'électrodes de batterie à semi-conducteurs et évite les problèmes de court-circuit interne.
Le procédé actuel de production de batteries à semi-conducteurs est encore immature et présente certaines lacunes. Lorsque le rouleau de feuilles d'électrodes est assemblé à d'autres feuilles après la découpe pour préparer les cellules de batteries à semi-conducteurs, il est difficile de garantir un ajustement parfait des feuilles adjacentes, ce qui entraîne une baisse de la qualité des cellules. Selon la technologie brevetée divulguée par Liyuanheng, l'entreprise propose un procédé, un dispositif et un équipement d'empilage de feuilles d'électrodes collées pour batteries à semi-conducteurs, qui permettent d'améliorer l'ajustement entre les feuilles adjacentes et d'en garantir la qualité.
③ La presse isostatique est l'un des principaux équipements incrémentaux : la technologie de pressage isostatique est utilisée pour améliorer le problème de contact d'interface solide-solide des batteries à l'état solide.
La production de batteries à semi-conducteurs consiste généralement à empiler l'électrode positive, l'électrolyte solide et l'électrode négative. L'électrolyte solide devant assurer un bon contact d'interface solide-solide avec l'électrode, des pertes de contact se produisent pendant le cycle et la formation de dendrites de lithium doit être évitée. L'empilement nécessite donc de nouveaux équipements de pressage, appliquant une pression supérieure à 100 MPa pour obtenir un empilement dense. Les solutions traditionnelles de pressage à chaud et de pressage à rouleaux offrent une pression limitée et irrégulière, ce qui complique la garantie de la régularité de l'empilement dense, affectant ainsi les performances des batteries à semi-conducteurs.
La technologie de pressage isostatique repose sur le principe de Pascal. Elle permet de densifier des matériaux tels que les métaux, les céramiques, les composites et les polymères et d'éliminer les pores. Pour les batteries à semi-conducteurs, elle permet d'éliminer efficacement les interstices internes, d'assurer une densification optimale de l'électrolyte et d'améliorer le contact entre les interfaces des composants. Elle améliore ainsi significativement la conductivité ionique de plus de 30 %, réduit la résistivité interne de la batterie de plus de 20 % et augmente sa durée de vie de 40 %, améliorant ainsi considérablement ses performances. L'équipement nécessaire au pressage isostatique est une presse isostatique.
Défis actuels de la technologie de pressage isostatique dans le domaine de la fabrication de batteries à semi-conducteurs : La technologie de pressage isostatique est mature et largement utilisée dans la céramique, la métallurgie des poudres et d'autres domaines. Cependant, son application aux batteries à semi-conducteurs en est encore au stade de l'exploration et du développement, et sa maturité technique est relativement faible. À l'heure actuelle, la promotion de la technologie de pressage isostatique dans le domaine des batteries à semi-conducteurs se heurte encore à des défis tels que le choix de la combinaison appropriée de température et de pression de pressage, le contrôle de la surface de compactage et l'amélioration de l'efficacité et du rendement de la production.
3. Liaison de formation et d'emballage post-étape : Nouvel équipement de formation haute tension
La pression de formation requise pour les batteries au lithium conventionnelles est de 3 à 10 tonnes, tandis que celle requise pour les batteries à semi-conducteurs est portée à 60 à 80 tonnes. La raison principale pour laquelle les batteries à semi-conducteurs nécessitent une formation à haute tension est liée à leurs caractéristiques uniques d'interface solide-solide et à leur mécanisme de conduction ionique, fondamentalement différent du processus de formation des batteries liquides traditionnelles.
1. Résoudre le problème de contact entre l'électrolyte solide et l'électrode : l'électrolyte solide et l'électrode sont en contact rigide, avec des espaces microscopiques et un mauvais contact. Une pression élevée (généralement de 60 à 100 MPa) doit être appliquée pour éliminer les espaces entre l'interface et augmenter la surface de contact effective ; favoriser la combinaison physico-chimique de l'électrolyte solide et de l'électrode.
2. Activer le canal de conduction ionique : l'électrolyte solide a une faible conductivité ionique et une formation de haute tension est nécessaire pour forcer les ions lithium à pénétrer la barrière d'interface solide-solide, former un réseau de conduction ionique à l'interface et réduire l'impédance de l'interface.
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