Visão geral
As baterias de íon de lítio de estado sólido são uma tecnologia de bateria emergente que apresenta várias vantagens significativas em relação às tradicionais baterias de íon de lítio líquido.. Isso também faz com que as baterias de íons de lítio de estado sólido sejam consideradas a próxima geração em tecnologia de baterias.. Embora as baterias de íon de lítio de estado sólido ainda tenham muitas áreas para melhorias em termos de segurança, poder, e densidade de energia em comparação com as baterias de íon de lítio mais avançadas disponíveis atualmente, como confiar na descoberta e aplicação de eletrólitos sólidos de alta qualidade para substituir as soluções líquidas usadas atualmente.
A indústria de baterias de lítio está em constante desenvolvimento, conduzindo pesquisas todos os dias para desenvolver tecnologias inovadoras cada vez mais de alto desempenho para garantir que este produto tenha mais alcance, maior poder, e menor tempo de carregamento.
Nesse sentido, a tecnologia de bateria de estado sólido parece ser a última fronteira da tecnologia, e esta solução emergente tem um grande potencial para se tornar o futuro dos veículos elétricos. Tem uma série de enormes vantagens, mas também muitas limitações que atrasam a sua entrada no mercado.
O que são baterias de íon de lítio de estado sólido?
Resposta direta: Ambas são baterias de lítio, mas seria melhor.
Seus princípios de funcionamento são os mesmos, exceto que não há nenhum componente líquido dentro da bateria de lítio de estado sólido. Em baterias tradicionais de íon de lítio, o eletrólito é líquido. Geralmente é composto de sais de lítio (como LiPF 6, LiBF 4, ou LiClO 4) dissolvido em solventes orgânicos (como carbonato de etileno, carbonato de dimetila, etc.). Existe um componente líquido chamado eletrólito na bateria de um smartphone, que permite que os íons de lítio fluam livremente e forneçam energia ao seu dispositivo após o carregamento. Isso também leva a um fenômeno chamado vazamento de líquido quando você deixa cair o telefone.
Bateria de estado sólido versus íon de lítio: Revelando diferenças
No desenvolvimento do armazenamento de energia da bateria, dois grandes concorrentes estão disputando a primeira posição: baterias de estado sólido e baterias de íon de lítio. Essas baterias poderosas alimentam nossos sistemas de eletrônicos de consumo e de energia renovável. Com o surgimento de bateria de estado sólido tecnologia, a indústria de baterias está passando por uma revolução tecnológica, desafiando a posição dominante das baterias de íons de lítio.
Mas qual é a principal diferença entre baterias de estado sólido e baterias de íon de lítio?
Como mencionado anteriormente, a principal diferença está na composição eletrolítica, o que também pode ser visto em seus nomes. Além do mais, podemos aprender mais. Também pode ser entendido como, por que estudar baterias de lítio de estado sólido? Quais são seus benefícios?
Densidade de energia
Baterias de íon de lítio de estado sólido： Este tipo de bateria pode armazenar quase o dobro de energia que as baterias líquidas de íons de lítio, especialmente ao substituir materiais anódicos por outros menores.
Bateria de íon de lítio：A capacidade das baterias de íon-lítio compostas por diferentes matérias-primas químicas pode variar, mas em comparação com baterias de estado sólido, sua densidade de energia é menor.
Material eletrolítico
O eletrólito de uma bateria é uma mistura química condutora que permite que íons metálicos fluam entre o ânodo e o cátodo, resultando em reações eletroquímicas.
A principal diferença entre as baterias de íon de lítio comuns e as baterias de lítio de estado sólido no mercado é que a primeira utiliza um eletrólito líquido para regular a corrente, enquanto as baterias de estado sólido escolhem um eletrólito sólido.
Baterias de íon de lítio de estado sólido: Usar eletrólitos sólidos em vez de líquidos resulta em um peso geral mais leve e maior densidade de energia. Isto também terá algumas vantagens de peso em alguns modos de transporte.
Bateria de íon de lítio: Reações eletroquímicas ocorrem em eletrólitos líquidos, fazendo com que íons de lítio fluam entre o cátodo e o ânodo.
As baterias de íon de lítio têm diferentes tipos químicos, e também há diferenças entre eles. Existem LCO, OVM, LFP, NCA, LTO, e assim por diante. Você pode ler este artigo intitulado “6 Tipos químicos de baterias de íon de lítio que você pode escolher”para obter uma compreensão mais detalhada.
Segurança da bateria de lítio
Baterias de lítio de estado sólido: Eletrólitos sólidos reduzem o risco de acidentes térmicos, tornando-os mais seguros, não apenas no transporte, mas também no uso.
Bateria de íon de lítio: Fácil de encontrar problemas de segurança, como superaquecimento, expansão, e fogo, representando um risco maior do que as baterias de chumbo-ácido.
Quanto tempo dura a bateria de lítio
Baterias de lítio de estado sólido: Eletrólitos sólidos têm maior estabilidade e menor reatividade em comparação com líquidos, resultando em uma vida útil relativamente mais longa.
Bateria de íon de lítio: O número de vezes que uma bateria pode ser carregada é limitado dentro de um determinado intervalo. As baterias líquidas de íon de lítio têm requisitos de temperatura ligeiramente mais elevados, e a temperatura ambiente para carregar, descarregando, e o uso geralmente é indicado. Tem uma vida útil mais curta em comparação com baterias de estado sólido.
Estrutura das baterias de estado sólido
Toda bateria de íon de lítio possui:
Dois eletrodos, que são compostos capazes de aceitar íons de lítio incorporados em sua estrutura.
Cátodo refere-se ao eletrodo positivo de uma bateria feita de materiais catódicos, como LFP, NMC, OVM, etc..
Ânodo refere-se ao eletrodo negativo de uma bateria feita de um material anódico (como substâncias não ativas como carbono ou grafite).
A partição central, que é uma fina camada feita de polímero plástico (polietileno ou polipropileno), serve como uma partição entre o ânodo e o cátodo, bem como um isolante.
Eletrólito: um meio para movimento de íons; Líquidos orgânicos contendo sais de lítio. O eletrólito preenche todo o volume dentro da bateria, mergulha os eletrodos, e permite que os íons de lítio se movam.
Em baterias de íon de lítio existentes, a principal função do separador é o isolamento, mas não tem outras funções. Está completamente saturado com eletrólito líquido. O ânodo geralmente é feito de grafite, e os íons de lítio se movem através do eletrólito e são inseridos nas estruturas cristalinas do ânodo e do cátodo. Essas estruturas têm lacunas internas que podem acomodar partículas extremamente pequenas de íons de lítio..
No entanto, a estrutura interna das baterias de estado sólido é diferente porque todos os seus componentes e meios são sólidos.
As baterias de estado sólido consistem nos seguintes componentes:
Ânodo: Feito de metal de lítio (lítio puro).
Cátodo: Feito do mesmo composto das baterias de íon de lítio (como LFP, NMC, OVM, etc.).
Diafragma, geralmente polímero cerâmico ou sólido, também é usado como eletrólito.
A camada cinza no meio é um separador sólido, que não serve apenas como separador entre o ânodo e o cátodo, mas também como eletrólito.
Portanto, é um meio para movimento de íons e tem função de isolamento elétrico, servindo como uma membrana mecânica entre o ânodo e o cátodo. Este suporte resistente e durável pode remover a estrutura de grafite do ânodo, garantindo que o metal de lítio se acumule diretamente no ânodo. Além disso, existem algumas soluções semissólidas, em que o eletrólito é uma substância semelhante a um gel.
Percebe-se que o conceito de baterias de estado sólido é superior em termos de espaço e aplicação material de eletrólitos e separadores.
Como funcionam as baterias de íon de lítio de estado sólido?
O princípio de funcionamento das baterias de estado sólido é muito semelhante ao das baterias tradicionais de íons de lítio, exceto que eles usam eletrólitos sólidos em vez de eletrólitos líquidos através dos quais os íons de lítio fluem. A maior vantagem de fazer isso é que as baterias de estado sólido não apresentam todos os riscos de segurança dos eletrólitos líquidos..
Mas o princípio básico de operação é o mesmo. Em baterias de estado sólido, lítio puro se acumula no eletrodo positivo da bateria, e então flui do eletrodo negativo para o eletrodo positivo durante a descarga, acumulando-se na forma de metal em vez de conter eletrodos de óxido metálico como baterias de eletrólito líquido padrão. Esse recurso não apenas torna a bateria mais segura, mas também economiza muito espaço.
Quais são as vantagens das baterias de estado sólido?
Tamanho do produto
Eletrólitos de estado sólido substituíram os separadores nas baterias tradicionais de íons de lítio, ocupando menos espaço e tornando-as mais leves do que as baterias normais de íon de lítio. O avanço da tecnologia tem potencial para ser aplicado em áreas como aviões e caminhões para transporte.
Peso da bateria
O lítio é o elemento metálico mais leve, que permite que ânodos de metal de lítio em baterias de estado sólido forneçam maior densidade de energia em embalagens menores. Desta maneira, baterias de estado sólido se tornaram uma opção leve.
Por exemplo, à medida que os veículos elétricos continuam a crescer em tamanho, a capacidade necessária da bateria também está aumentando para manter os dados de alcance, o que também traz o problema do aumento de peso. Porque o aumento do peso levará ao aumento do desgaste dos pneus, resultando em mais poluentes particulados. Portanto, reduzir o peso dos veículos elétricos e das suas baterias não só ajuda a reduzir as emissões de gases de escape, mas também reduz o desgaste dos pneus e a liberação de partículas. Baterias de estado sólido podem fornecer excelentes requisitos básicos para isso.
Segurança e duração de uso
As baterias de íon de lítio contêm eletrólitos líquidos voláteis e inflamáveis, que representam risco de incêndio. Baterias de estado sólido, por outro lado, pode suportar temperaturas mais altas e ter maior estabilidade térmica, fazendo eles mais seguros.
Devido ao seu tamanho menor e maior densidade de energia, baterias de estado sólido podem armazenar mais energia em um espaço menor, o que significa que usá-los pode melhorar a vida útil da bateria.
Um fabricante afirma que seu veículo elétrico pode viajar 745 milhas com uma única carga.
Em termos de velocidade de carregamento, baterias de estado sólido também são excelentes. As baterias de íon de lítio em veículos elétricos normalmente levam 20 minutos para 12 horas para carregar totalmente, enquanto as baterias de estado sólido podem ser carregadas pelo menos 80% da sua capacidade em apenas 10 para 15 minutos.
As baterias de estado sólido também têm uma vida útil mais longa e podem ser carregadas até 5 vezes mais do que baterias de íon de lítio, prolongando assim a vida útil geral da bateria. A comparação de dados mostra que as baterias de lítio de estado sólido são superiores.
Reduzir a pegada de carbono
As baterias de estado sólido utilizam menos materiais e podem reduzir o impacto climático ao 39% em comparação com baterias de íon de lítio. Isto significa que também é mais amigo do ambiente e está em linha com o conceito de desenvolvimento de neutralidade carbónica..
Carregamento rápido
A pesquisa mais recente descobriu que o velocidade de carregamento de baterias de estado sólido é seis vezes mais rápido do que as tecnologias existentes de carregamento de íons de lítio. Mas para atingir essa velocidade, alguns outros indicadores-chave de desempenho podem ser sacrificados, então é necessária mais otimização.
No entanto, pode ser confirmado que os eletrólitos líquidos são propensos a danos em altas temperaturas, enquanto os eletrólitos sólidos têm melhor desempenho em altas temperaturas. Isso significa que as baterias de estado sólido podem ter melhor desempenho durante o carregamento rápido e a geração de calor, e também pode ser considerado que não perde seu próprio desempenho em termos de geração de calor.
Por que precisamos deles?
Através da introdução de baterias de íon de lítio de estado sólido, análise das diferenças entre bateria de estado sólido e bateria de íon de lítio, e as vantagens da bateria de estado sólido, obtivemos uma compreensão abrangente.
Por que precisamos deles?
As tradicionais baterias de lítio com eletrólito líquido devem ter um volume considerável para alimentar equipamentos de grande porte, como carros. E essas baterias apresentam riscos à segurança, eles podem expandir devido a mudanças de temperatura ou vazar quando submetidos a compressão excessiva. Deve-se notar que o líquido em seu interior é inflamável.
Todo mundo já sentiu a ansiedade de “a bateria do celular acabar” e entende que a questão da duração da bateria durante o uso também é um fator.
Embora tradicional baterias de íon de lítio melhoraram em comparação com baterias anteriores, eles ainda têm deficiências na abordagem dessas questões. A velocidade de carregamento lenta e a vida útil limitada fazem com que tenham um desempenho insatisfatório em muitas aplicações.
E as baterias de estado sólido estão gradualmente resolvendo esses problemas. Eles têm um volume menor, mas maior capacidade, peso mais leve, e maior segurança. A velocidade de carregamento é mais rápida e a vida útil é mais longa, por isso pode compensar grandemente as deficiências das baterias de lítio tradicionais. É também por isso que precisamos deles.
Quando será nós ser capaz de ver baterias de íon de lítio de estado sólido
A tecnologia de estado sólido tem sido usada em pequenas quantidades nos seguintes campos:
Baterias adequadas para trabalhar em climas adequados
Bateria de aplicação aeroespacial
Bateria híbrida semi-sólida ou sólida.
Uma empresa automobilística chinesa lançou recentemente 50 carros equipados com baterias de estado semissólido
Mas as baterias de estado sólido ainda estão em desenvolvimento, e ainda existem alguns desafios a serem superados para que possam ser aplicados comercialmente em larga escala.
Custo
Atualmente, o custo de produção das baterias de estado sólido é superior ao das baterias comuns de íons de lítio porque utilizam materiais mais caros e o processo de produção é mais complexo. Geralmente, tecnologias de mercado maduras são otimizadas antes de serem colocadas em uso, então este ainda é um processo em andamento.
Aumentar a escala
A maior parte do desenvolvimento de baterias de estado sólido ainda está em fase de laboratório, e as baterias de estado sólido são consideradas mais seguras do que as baterias tradicionais. No entanto, o problema do risco de curto-circuito causado pelo crescimento semelhante a uma agulha de metal de lítio ainda precisa ser estudado e resolvido urgentemente. Enquanto isso, como expandir a escala de produção também é um tema de pesquisa em andamento.
Problemas de estabilidade
Baterias de estado sólido são como respirar durante o processo de carga e descarga. Os ânodos de metal de lítio ficam mais grossos durante o carregamento e mais finos durante a descarga. A questão principal reside em como manter o estado fixo e comprimido simultaneamente.
A bateria deve permanecer comprimida para garantir que as camadas internas não se separem, mas simplesmente fixá-lo na camada externa não é suficiente, já que a bateria requer elasticidade flexível ao “respirar”.
Portanto, é necessário projetar uma estrutura mecânica complexa. O uso de molas para manter a flexibilidade de todos os componentes durante a compressão, mas este sistema mecânico é complexo e caro, dificultando a produção em massa.
Devido à composição das baterias de estado sólido, a expansão não pode ser completamente evitada. Ao realizar pesquisas para reduzir a demanda por pressão, as baterias podem manter a estabilidade em pressões mais baixas ou usar materiais mais avançados para atender à demanda. Esta será uma direção fundamental para o desenvolvimento tecnológico futuro.
Separadores e Temperatura
Íons são substâncias que na verdade são átomos carregados, tornando-os mais fáceis de se mover em líquidos. Para permitir que os íons se movam livremente em sólidos, separadores (como separadores cerâmicos) deve ter componentes especiais. Atualmente, temos alguns eletrólitos sólidos de alto desempenho, mas esses eletrólitos não funcionam bem à temperatura ambiente. Eles só podem se tornar bons condutores em temperaturas acima 50 graus Celsius.
Isto impõe limitações à aplicação prática de baterias de estado sólido, já que as baterias dos veículos não conseguem manter altas temperaturas indefinidamente.
Quando a temperatura das baterias de estado sólido não é alta, seu desempenho diminuirá significativamente. Portanto, mais pesquisas são necessárias para garantir que os eletrólitos sólidos também possam funcionar bem em baixas temperaturas, de modo a usar baterias de estado sólido em aplicações mais práticas.
A pesquisa e o desenvolvimento na área de baterias de estado sólido estão avançando rapidamente, e muitos especialistas acreditam que as baterias de estado sólido acabarão por se tornar o padrão em áreas como veículos elétricos.
Conclusão
Muitos fabricantes da indústria de baterias estão interessados nesta tecnologia promissora, como Mercedes-Benz, Volkswagen, Toyota, Tesla, etc., e estão investindo recursos significativos em pesquisa e desenvolvimento. Se os problemas técnicos forem resolvidos, eles se tornarão as primeiras pessoas no mercado e, assim, deterão o poder do discurso. E espera-se que seja lançado entre 2024 e 2026, que é altamente esperado e vale a pena prestar atenção.
