Descripción general
Las baterías de iones de litio de estado sólido es una tecnología de batería emergente que tiene varias ventajas significativas sobre las baterías tradicionales de iones de litio líquido. Esto también hace que las baterías de iones de litio en estado sólido se consideren la próxima generación de tecnología de batería. Aunque las baterías de iones de litio de estado sólido todavía tienen muchas áreas de mejora en términos de seguridad, fuerza, y densidad de energía en comparación con las baterías de iones de litio más avanzadas disponibles hoy en día, como confiar en el descubrimiento y la aplicación de electrolitos sólidos de alta calidad para reemplazar las soluciones líquidas utilizadas actualmente.
La industria de la batería de litio se está desarrollando constantemente, Realización de investigaciones todos los días para desarrollar tecnologías innovadoras cada vez más de alto rendimiento para garantizar que este producto tenga más alcance, mayor poder, y tiempo de carga más corto.
En este sentido, La tecnología de batería de estado sólido parece ser la última frontera de tecnología, y esta solución emergente tiene un gran potencial para convertirse en el futuro de los vehículos eléctricos. Tiene una serie de grandes ventajas, pero también muchas limitaciones que retrasan su entrada al mercado.
¿Qué es una batería de iones de litio de estado sólido??
Respuesta directa: Ambas son baterías de litio, Pero sería mejor.
Sus principios de trabajo son los mismos, excepto que no hay componente líquido dentro de la batería de litio en estado sólido. En baterías tradicionales de iones de litio, El electrolito es líquido. Generalmente se compone de sales de litio (como Lipf 6, Libf 4, o liclo 4) disuelto en solventes orgánicos (como el carbonato de etileno, carbonato de dimetilo, etc.). Hay un componente líquido llamado electrolito en la batería de un teléfono inteligente., que permite que los iones de litio fluyan libremente y proporcionen energía a su dispositivo después de cargar. Esto también conduce a un fenómeno llamado fugas de líquido cuando deja caer su teléfono.
Batería de estado sólido vs ion de litio: Revelando diferencias
En el desarrollo del almacenamiento de energía de la batería, Dos competidores principales compiten por la posición superior: baterías de estado sólido y baterías de iones de litio. Estas poderosas baterías alimentan nuestros sistemas electrónicos de consumo y energía renovable. Con la aparición de batería de estado sólido tecnología, La industria de la batería está experimentando una revolución tecnológica, Desafiando la posición dominante de las baterías de iones de litio.
Pero, ¿cuál es la diferencia clave entre las baterías de estado sólido y las baterías de iones de litio??
Como se mencionó anteriormente, La principal diferencia radica en su composición de electrolitos, que también se puede ver a partir de sus nombres. Además, Podemos aprender más. También se puede entender como, Por qué estudiar baterías de litio en estado sólido? ¿Cuáles son sus beneficios??
Densidad de energía
Baterías de iones de litio de estado sólido： Este tipo de batería puede contener casi el doble de energía que las baterías líquidas de iones de litio, especialmente al reemplazar los materiales de ánodo por los más pequeños.
Batería de iones de litio：La capacidad de las baterías de iones de litio compuestas de diferentes materias primas químicas puede variar, Pero en comparación con las baterías de estado sólido, su densidad de energía es menor.
Material electrolítico
El electrolito de una batería es una mezcla química conductora que permite que los iones metálicos fluyan entre el ánodo y el cátodo, dando como resultado reacciones electroquímicas.
La principal diferencia entre las baterías comunes de iones de litio y las baterías de litio en estado sólido en el mercado es que el primero usa un electrolito líquido para regular la corriente, Mientras que las baterías de estado sólido eligen un electrolito sólido.
Baterías de iones de litio de estado sólido: El uso de electrolitos sólidos en lugar de líquidos da como resultado un peso total más ligero y una mayor densidad de energía. Esto también tendrá algunas ventajas de peso en algunos modos de transporte..
Batería de iones de litio: Las reacciones electroquímicas ocurren en electrolitos líquidos, causando que los iones de litio fluyan entre el cátodo y el ánodo.
Las baterías de iones de litio tienen diferentes tipos de productos químicos, y también hay diferencias entre ellos. Hay LCO, OVM, LFP, ANC, OLP, etcétera. Puedes leer este artículo titulado "6 Tipos químicos de baterías de iones de litio entre los que puede elegir" Para obtener una comprensión más detallada.
Seguridad de la batería de litio
Baterías de litio de estado sólido: Los electrolitos sólidos reducen el riesgo de accidentes térmicos, haciéndolos más seguros, no solo en el transporte sino también en uso.
Batería de iones de litio: Problemas de seguridad fáciles de encontrar como sobrecalentamiento, expansión, y fuego, plantear un riesgo mayor que las baterías de plomo-ácido.
¿Cuánto dura la batería de litio?
Baterías de litio de estado sólido: Los electrolitos sólidos tienen mayor estabilidad y menor reactividad en comparación con los líquidos, resultando en una vida útil relativamente más larga.
Batería de iones de litio: El número de veces que se puede cargar una batería es limitado dentro de un cierto rango. Las baterías líquidas de iones de litio tienen requisitos de temperatura ligeramente más altos, y la temperatura ambiente para cargar, descarga, y el uso generalmente se indica. Tiene una vida útil más corta en comparación con las baterías de estado sólido.
Estructura de baterías de estado sólido
Cada batería de iones de litio tiene:
Dos electrodos, que son compuestos capaces de aceptar iones de litio integrados en su estructura.
El cátodo se refiere al electrodo positivo de una batería hecha de materiales de cátodo como LFP, NMC, OVM, etc..
El ánodo se refiere al electrodo negativo de una batería hecha de material de ánodo (como sustancias no activas como el carbono o el grafito).
La partición central, que es una capa delgada hecha de polímero de plástico (polietileno o polipropileno), sirve como una partición entre el ánodo y el cátodo, así como un aislante.
Electrólito: un medio para el movimiento de iones; Líquidos orgánicos que contienen sales de litio. El electrolito llena todo el volumen dentro de la batería, sumerge los electrodos, y permite que los iones de litio se muevan.
En las baterías de iones de litio existentes, La función principal del separador es el aislamiento, Pero no tiene otras funciones. Está completamente saturado con electrolito líquido. El ánodo generalmente está hecho de grafito, y los iones de litio se mueven a través del electrolito y se insertan en las estructuras de cristal del ánodo y el cátodo. Estas estructuras tienen huecos en el interior que pueden acomodar partículas de iones de litio extremadamente pequeñas.
Sin embargo, La estructura interna de las baterías de estado sólido es diferente porque todos sus componentes y medios son sólidos.
Las baterías de estado sólido consisten en los siguientes componentes:
Ánodo: Hecho de metal de litio (litio puro).
Cátodo: Hecho del mismo compuesto que las baterías de iones de litio (como LFP, NMC, OVM, etc.).
Diafragma, generalmente polímero cerámico o sólido, también se usa como electrolito.
La capa gris en el medio es un separador sólido, que no solo sirve como separador entre el ánodo y el cátodo, pero también como electrolito.
Por lo tanto, Es a la vez un medio para el movimiento iónico y tiene una función de aislamiento eléctrico, servir como una membrana mecánica entre el ánodo y el cátodo. Este soporte resistente y duradero puede eliminar la estructura de grafito del ánodo, Asegurar que el metal de litio se acumule directamente en el ánodo. Además, Hay algunas soluciones semisólidas, en el que el electrolito es una sustancia como gel.
Se puede ver que el concepto de baterías de estado sólido es superior en términos del espacio y la aplicación material de electrolitos y separadores.
¿Cómo funcionan las baterías de iones de litio de estado sólido??
El principio de funcionamiento de las baterías de estado sólido es muy similar a las baterías tradicionales de iones de litio, excepto que usan electrolitos sólidos en lugar de electrolitos líquidos a través de los cuales fluyen los iones de litio. La mayor ventaja de hacer esto es que las baterías de estado sólido no tienen todos los riesgos de seguridad de los electrolitos líquidos.
Pero el principio básico de la operación es el mismo. En baterías de estado sólido, El litio puro se acumula en el electrodo positivo de la batería, y luego fluye desde el electrodo negativo al electrodo positivo durante la descarga, Acumulación en forma de metal en lugar de contener electrodos de óxido de metal como baterías de electrolitos líquidos estándar. Esta característica no solo hace que la batería sea más segura, pero también ahorra mucho espacio.
¿Cuáles son las ventajas de las baterías de estado sólido??
Tamaño del producto
Los electrolitos de estado sólido han reemplazado a los separadores en baterías tradicionales de iones de litio, ocupar menos espacio y hacerlos más ligeros que las baterías regulares de iones de litio. El avance en la tecnología tiene el potencial de aplicarse a campos como aviones y camiones para el transporte.
Peso de la batería
El litio es el elemento metálico más ligero, que permite que los ánodos metálicos de litio en baterías de estado sólido proporcionen una mayor densidad de energía en paquetes más pequeños. De este modo, Las baterías de estado sólido se han convertido en una opción liviana.
Por ejemplo, A medida que los vehículos eléctricos continúan creciendo en tamaño, La capacidad de la batería requerida también está aumentando para mantener los datos de rango, que también provoca el problema del aumento de peso. Porque el mayor peso conducirá a un mayor desgaste de los neumáticos, dando como resultado más contaminantes partículas. Por lo tanto, Reducir el peso de los vehículos eléctricos y sus baterías no solo ayuda a reducir las emisiones de escape, pero también reduce el desgaste de los neumáticos y la liberación de partículas. Las baterías de estado sólido pueden proporcionar excelentes requisitos básicos para ello.
Seguridad y duración del uso
Las baterías de iones de litio contienen electrolitos líquidos volátiles e inflamables, que representan un riesgo de fuego. Baterías de estado sólido, por otro lado, puede soportar temperaturas más altas y tener una estabilidad térmica más fuerte, haciendo ellos más seguros.
Debido a su menor tamaño y mayor densidad de energía, Las baterías de estado sólido pueden almacenar más energía en un espacio más pequeño, lo que significa que usarlos puede mejorar la duración de la batería.
Un fabricante afirma que su vehículo eléctrico puede viajar 745 millas con una sola carga.
En términos de velocidad de carga, Las baterías de estado sólido también son excelentes. Las baterías de iones de litio en vehículos eléctricos generalmente toman 20 intermediar 12 Horas para cobrar por completo, mientras que las baterías de estado sólido se pueden cargar al menos 80% de su capacidad en solo 10 a 15 minutos.
Las baterías de estado sólido también tienen una vida útil más larga y se pueden cargar hasta 5 veces más que baterías de iones de litio, extendiendo así la vida útil general de la batería. La comparación de datos muestra que las baterías de litio de estado sólido son superiores.
Reducir la huella de carbono
Las baterías de estado sólido usan menos materiales y pueden reducir el impacto climático en 39% en comparación con las baterías de iones de litio. Esto significa que también es más amigable con el medio ambiente y está en línea con el concepto de desarrollo de la neutralidad de carbono..
Carga rápida
La última investigación ha encontrado que el Velocidad de carga de baterías de estado sólido es seis veces más rápido que las tecnologías de carga de iones de litio existentes. Pero para lograr esta velocidad, Se pueden sacrificar algunos otros indicadores clave de rendimiento, Entonces se necesita más optimización.
Sin embargo, Se puede confirmar que los electrolitos líquidos son propensos a dañar a altas temperaturas, mientras que los electrolitos sólidos funcionan mejor a altas temperaturas. Esto significa que las baterías de estado sólido pueden funcionar mejor durante la carga rápida y la generación de calor., y también se puede considerar que no pierde su propio rendimiento en términos de generación de calor.
¿Por qué los necesitamos??
A través de la introducción de baterías de iones de litio de estado sólido, Análisis de las diferencias entre la batería de estado sólido y la batería de iones de litio, y las ventajas de la batería de estado sólido, Hemos adquirido una comprensión integral.
¿Por qué los necesitamos??
Las baterías tradicionales de litio de electrolito líquido deben tener un volumen considerable para alimentar equipos grandes como automóviles. Y estas baterías tienen riesgos de seguridad, Pueden expandirse debido a cambios de temperatura o fuga cuando se someten a una compresión excesiva. Cabe señalar que el líquido en el interior es inflamable.
Todos han experimentado la ansiedad de "baterías de teléfonos móviles que se ejecutan" y comprende que el problema de la duración de la batería durante el uso también es un factor.
Aunque tradicional baterías de iones de litio han mejorado en comparación con las baterías anteriores, Todavía tienen deficiencias para abordar estos problemas.. La velocidad de carga lenta y la vida útil limitada los hacen funcionar mal en muchas aplicaciones.
Y las baterías de estado sólido están resolviendo gradualmente estos problemas. Tienen un volumen más pequeño pero mayor capacidad, peso más ligero, y mayor seguridad. La velocidad de carga es más rápida y la vida útil es más larga, Por lo tanto, puede compensar enormemente las deficiencias de las baterías de litio tradicionales. That's also why we need them.
Cuando lo hará nosotros Ser capaz de ver baterías de iones de litio de estado sólido
La tecnología de estado sólido se ha utilizado en pequeñas cantidades en los siguientes campos:
Baterías adecuadas para trabajar en climas adecuados
Batería de aplicación aeroespacial
Batería híbrida semi sólida o sólida.
Una compañía de automóviles chino se lanzó recientemente 50 autos equipados con baterías de estado semisólido
Pero las baterías de estado sólido todavía están en desarrollo, y todavía hay algunos desafíos que superar para aplicarse comercialmente a gran escala.
Costo
Actualmente, El costo de producción de las baterías de estado sólido es más alto que el de las baterías ordinarias de iones de litio porque usan materiales más caros y el proceso de producción es más complejo. Generalmente, Las tecnologías de mercado maduras se optimizan antes de que se pongan en uso, Entonces este sigue siendo un proceso continuo.
Aumentar proporcionalmente
La mayor parte del desarrollo de baterías de estado sólido todavía está en la etapa de laboratorio, y las baterías de estado sólido se consideran más seguras que las baterías tradicionales. Sin embargo, El problema del riesgo de cortocircuito causado por la aguja de metal de litio, como el crecimiento, todavía debe estudiarse y resolver con urgencia. Mientras tanto, Cómo expandir la escala de producción también es un tema de investigación en curso.
Problemas de estabilidad
Las baterías de estado sólido son como respirar durante el proceso de carga y descarga. Los ánodos metálicos de litio se vuelven más gruesos durante la carga y más delgados durante la descarga. El problema principal radica en cómo mantener su estado fijo y comprimido simultáneamente.
La batería debe permanecer comprimida para asegurarse de que las capas internas no se separen, Pero simplemente arreglarlo en la cubierta exterior no es suficiente, ya que la batería requiere capacidad de unión flexible cuando "respiración".
Por lo tanto, Es necesario diseñar una estructura mecánica compleja. El uso de resortes para mantener la flexibilidad de todos los componentes durante la compresión, Pero este sistema mecánico es complejo y costoso, haciendo que sea difícil producir en masa.
Debido a la composición de baterías de estado sólido, La expansión no se puede evitar por completo. Realizando investigaciones para reducir la demanda de presión, Las baterías pueden mantener la estabilidad a presiones más bajas o usar materiales más avanzados para satisfacer la demanda. Esta será una dirección clave para el desarrollo tecnológico futuro..
Separadores y temperatura
Los iones son sustancias que en realidad son átomos cargados, Haciéndolos más fáciles de moverse en líquidos. Para permitir que los iones se muevan libremente en sólidos, separadores (como separadores de cerámica) Debe tener componentes especiales. Actualmente, Tenemos algunos electrolitos sólidos de alto rendimiento, Pero estos electrolitos no funcionan bien a temperatura ambiente. Solo pueden convertirse en buenos conductores a temperaturas anteriores 50 grados centígrados.
Esto impone limitaciones a la aplicación práctica de baterías de estado sólido, ya que las baterías en los vehículos no pueden mantener altas temperaturas indefinidamente.
Cuando la temperatura de las baterías de estado sólido no es alta, Su rendimiento disminuirá significativamente. Por lo tanto, Se necesita más investigación para garantizar que los electrolitos sólidos también puedan funcionar bien a bajas temperaturas, para usar baterías de estado sólido en aplicaciones más prácticas.
La investigación y el desarrollo en el campo de las baterías de estado sólido avanzan rápidamente, Y muchos expertos creen que las baterías de estado sólido eventualmente se convertirán en el estándar en áreas como vehículos eléctricos.
Conclusión
Muchos fabricantes de la industria de la batería están interesados en esta tecnología prometedora, como Mercedes Benz, Volkswagen, Toyota, tesla, etc., y están invirtiendo recursos significativos en investigación y desarrollo. Si se resuelven problemas técnicos, se convertirán en las primeras personas en el mercado y, por lo tanto, tendrán el poder del discurso.. Y se espera que se lance entre 2024 y 2026, que es muy esperado y vale la pena prestar atención a.
