Investigación sobre el sector de las pilas de estado sólido
Hoy en día, los vehículos de nueva energía se han convertido gradualmente en la corriente principal del mercado del automóvil, y la batería de los vehículos de nueva energía se ha convertido en una preocupación clave para muchos consumidores. batería de estado sólido se ha convertido en un nuevo y popular tipo de batería.
Índice
¿Qué es una batería de estado sólido?
1. Definición de batería de estado sólido
Según la clasificación del electrolito, las baterías de litio pueden dividirse en cuatro categorías: líquidas, semisólidas, cuasisólidas y totalmente sólidas, de las cuales las semisólidas, cuasisólidas y totalmente sólidas se denominan colectivamente batería de estado sólido. Y debido a los diferentes estados del electrolito, la batería de estado sólido es diferente de las baterías de iones de litio líquido en términos de estructura.
2. Desarrollo de la batería de litio
A medida que el desarrollo de industria de las pilas de litio Los requisitos básicos de las baterías de litio, como la capacidad específica, la eficiencia a la primera, la seguridad y la duración de los ciclos, son cada vez mayores en los campos de las baterías de potencia y las baterías de almacenamiento de energía. Se espera que la densidad energética de las baterías de iones de litio aumente a más de 300 Wh/kg en los próximos cinco años, pero es difícil alcanzar el objetivo de una densidad energética superior a 350 Wh/kg con el sistema ternario actual.
La batería de estado sólido presenta una mejora evidente de la capacidad específica y la seguridad gracias a su estructura, materiales catódicosmateriales de ánodo y materiales electrolíticos.
Comparación de la pila líquida y la de estado sólido
1. Seguridad
El peligro para la seguridad de las baterías líquidas se debe principalmente al electrolito líquido. Según las últimas noticias, los accidentes provocados por las baterías de los vehículos eléctricos son principalmente la combustión espontánea y la deflagración. Y el principal desencadenante de la combustión espontánea es el desbocamiento térmico de la batería. La batería se cortocircuita en un entorno sobrecargado, a baja temperatura o a alta temperatura, y la batería libera mucho calor en poco tiempo, lo que enciende el electrolito líquido del interior de la batería y acaba provocando su incendio.
Por otro lado, las baterías de estado sólido utilizan electrolitos sólidos, la mayoría de los cuales son incombustibles, lo que resuelve la inflamabilidad del electrolito; al mismo tiempo, la película de electrolito sólido es densa y no porosa, con una gran resistencia mecánica, lo que inhibe eficazmente el problema del cortocircuito causado por el electrodo negativo; también es mejor que el electrolito en términos de estabilidad térmica y electroquímica, lo que mejora en gran medida el rendimiento de seguridad de las baterías de litio.
2. Densidad energética
La densidad energética de la batería viene determinada directamente por la capacidad teórica en gramos y la diferencia de potencial electroquímico de los materiales del cátodo y el ánodo. Según los últimos avances de la batería de estado sólido, la densidad energética de la batería cilíndrica grande Tesla 4680 es de 283 Wh/kg, mientras que, según la estructura de la batería de estado sólido CATL, la densidad energética del fosfato de hierro y litio es de 160 Wh/kg, y la del níquel ternario alto, de hasta 250 Wh/kg.
Y en octubre de 2022 la NASA introdujo en su sitio web oficial, la investigación actual de la NASA y el desarrollo de la densidad de energía de la batería de estado sólido éxito alcanzado 500Wh / kg, casi dos veces más alto que el níquel ternario de alta.
Los materiales de cátodo y ánodo de la batería de estado sólido pueden utilizarse con una mayor diferencia de potencial y, debido a la ventaja de estabilidad de la estructura sólida, la capacidad de los materiales de cátodo y ánodo puede ampliarse en el proceso de fabricación para mejorar la densidad energética global de la batería.
Todas las baterías de estado sólido pueden utilizar metal de litio como electrodo negativo (la capacidad específica del metal de litio es casi 10 veces superior a la del electrodo negativo de grafito), con lo que se espera aumentar la densidad energética en más de 50% con el mismo sistema de electrodo positivo y, al mismo tiempo, mejorar la densidad energética PACK de la batería y reducir su coste.
Ruta tecnológica de los materiales electrolíticos en estado sólido
Los requisitos básicos en los que hay que centrarse en el proceso de construcción de un electrolito de estado sólido de alto rendimiento incluyen.
① Alta conductividad eléctrica.
② Buena estabilidad química, no reacciona con los materiales internos de la batería.
③ Alto número de migración de iones de litio, el número de migración de iones superior a 1 es el estado más ideal.
④ Propiedades mecánicas y tenacidad, para cinco niveles de electrolitos sólidos, hay generalmente un fenómeno más frágil y quebradizo.
Actualmente existen tres grandes vías técnicas con electrolitos en estado sólido: polímero, óxido y sulfuro. Los parámetros de rendimiento de los tres tipos de electrolitos sólidos tienen sus propias ventajas e inconvenientes.
Según la consulta de información pública, en octubre de 2022 el producto de la NASA basado en la ruta del sulfuro, la densidad de energía alcanzó los 500 Wh/kg. 2018 Suzhou, China, anunció el desarrollo de un producto basado en la ruta del óxido, la densidad energética de la batería de estado sólido alcanzó los 400 Wh/kg; en diciembre de 2019 Sakti3 afirmó haber desarrollado una batería de estado sólido con una densidad energética de más de 1000 Wh/kg.
Interfaz de batería de estado sólido
La interfaz de batería de estado sólido se refiere a: ① La interfaz dentro del electrolito sólido.
② La interfaz dentro del material compuesto del cátodo.
③ La interfaz entre el electrolito sólido y el material del cátodo.
④ La interfaz entre el electrolito sólido y el material del electrodo negativo.
El concepto de interfaz se induce en la batería de estado sólido principalmente porque las interfaces de fase sólida de los materiales sólidos no tienen humectabilidad entre sí, lo que dificulta un contacto suficiente y forma una mayor resistencia de contacto. Además, durante los ciclos se producen fenómenos como la interdifusión de elementos y la formación de capas de carga espacial, que afectan al rendimiento de la célula. Existe un gran número de límites de grano en el electrolito cristalino, y la elevada resistencia de los límites de grano no favorece el transporte de iones de litio entre los electrodos positivo y negativo.
Para mejorar el rendimiento de las distintas interfaces (por ejemplo, la conductividad, la capa de carga espacial, etc.), se requiere I+D y diseño especiales en la estructura, el proceso de preparación y la selección de materiales de la batería de estado sólido.
Demanda del mercado
Se espera que la demanda mundial de baterías de estado sólido en 2030 se acerque a los 500 GWH, con un espacio de mercado de más de 150.000 millones, de los cuales la demanda de baterías de energía de estado sólido supera los 350 GWH.
Según las previsiones del Instituto, se espera que los envíos de baterías de estado sólido de China crezcan a un ritmo elevado de 2022 a 2030, pudiendo superar los 250 GWH en 2030, mientras que en el lado de los costes, con el progreso continuo de la tecnología de baterías de estado sólido, el precio de coste de las baterías de estado sólido también seguirá disminuyendo, esperándose que el precio de coste de las baterías de estado sólido en China baje de 1,9 yuanes/Wh en 2022 a 0,8 yuanes/Wh en 2030.
El precio de coste de la batería ternaria de litio en 2022 es de aproximadamente 1 yuan/Wh, y el precio de coste de la batería de litio hierro fosfato es de 0,8 yuanes/Wh.
Por el momento, las baterías líquidas tienen una mayor ventaja en cuanto a coste en comparación con las de estado sólido. Sin embargo, con el desarrollo de la tecnología de las baterías de estado sólido y la implantación de la producción en serie, el coste se acercará al de las baterías líquidas, al tiempo que destacarán las ventajas de su alta densidad energética y su elevada seguridad.
Ayan Chen
Estimados lectores, Mi trayectoria profesional comenzó con un máster en Ingeniería Electrónica, tras el cual dirigí mi atención hacia los sistemas de intercambio de baterías de litio. Como ingeniero en una renombrada empresa de baterías, no sólo he contribuido de todo corazón a varios proyectos exitosos de estaciones de intercambio de baterías, sino que también he adquirido una gran experiencia. A través de mis escritos, aspiro a compartir con usted mis conocimientos sobre el intercambio de baterías de motocicletas.
Investigación sobre el sector de las pilas de estado sólido
¿Qué es una batería de estado sólido?
1. Definición de batería de estado sólido
Según la clasificación del electrolito, las baterías de litio pueden dividirse en cuatro categorías: líquidas, semisólidas, cuasisólidas y totalmente sólidas, de las cuales las semisólidas, cuasisólidas y totalmente sólidas se denominan colectivamente batería de estado sólido. Y debido a los diferentes estados del electrolito, la batería de estado sólido es diferente de las baterías de iones de litio líquido en términos de estructura.
2. Desarrollo de la batería de litio
A medida que el desarrollo de industria de las pilas de litio Los requisitos básicos de las baterías de litio, como la capacidad específica, la eficiencia a la primera, la seguridad y la duración de los ciclos, son cada vez mayores en los campos de las baterías de potencia y las baterías de almacenamiento de energía. Se espera que la densidad energética de las baterías de iones de litio aumente a más de 300 Wh/kg en los próximos cinco años, pero es difícil alcanzar el objetivo de una densidad energética superior a 350 Wh/kg con el sistema ternario actual.
La batería de estado sólido presenta una mejora evidente de la capacidad específica y la seguridad gracias a su estructura, materiales catódicosmateriales de ánodo y materiales electrolíticos.
Comparación de la pila líquida y la de estado sólido
1. Seguridad
El peligro para la seguridad de las baterías líquidas se debe principalmente al electrolito líquido. Según las últimas noticias, los accidentes provocados por las baterías de los vehículos eléctricos son principalmente la combustión espontánea y la deflagración. Y el principal desencadenante de la combustión espontánea es el desbocamiento térmico de la batería. La batería se cortocircuita en un entorno sobrecargado, a baja temperatura o a alta temperatura, y la batería libera mucho calor en poco tiempo, lo que enciende el electrolito líquido del interior de la batería y acaba provocando su incendio.
Por otro lado, las baterías de estado sólido utilizan electrolitos sólidos, la mayoría de los cuales son incombustibles, lo que resuelve la inflamabilidad del electrolito; al mismo tiempo, la película de electrolito sólido es densa y no porosa, con una gran resistencia mecánica, lo que inhibe eficazmente el problema del cortocircuito causado por el electrodo negativo; también es mejor que el electrolito en términos de estabilidad térmica y electroquímica, lo que mejora en gran medida el rendimiento de seguridad de las baterías de litio.
2. Densidad energética
La densidad energética de la batería viene determinada directamente por la capacidad teórica en gramos y la diferencia de potencial electroquímico de los materiales del cátodo y el ánodo. Según los últimos avances de la batería de estado sólido, la densidad energética de la batería cilíndrica grande Tesla 4680 es de 283 Wh/kg, mientras que, según la estructura de la batería de estado sólido CATL, la densidad energética del fosfato de hierro y litio es de 160 Wh/kg, y la del níquel ternario alto, de hasta 250 Wh/kg.
Y en octubre de 2022 la NASA introdujo en su sitio web oficial, la investigación actual de la NASA y el desarrollo de la densidad de energía de la batería de estado sólido éxito alcanzado 500Wh / kg, casi dos veces más alto que el níquel ternario de alta.
Los materiales de cátodo y ánodo de la batería de estado sólido pueden utilizarse con una mayor diferencia de potencial y, debido a la ventaja de estabilidad de la estructura sólida, la capacidad de los materiales de cátodo y ánodo puede ampliarse en el proceso de fabricación para mejorar la densidad energética global de la batería.
Todas las baterías de estado sólido pueden utilizar metal de litio como electrodo negativo (la capacidad específica del metal de litio es casi 10 veces superior a la del electrodo negativo de grafito), con lo que se espera aumentar la densidad energética en más de 50% con el mismo sistema de electrodo positivo y, al mismo tiempo, mejorar la densidad energética PACK de la batería y reducir su coste.
Ruta tecnológica de los materiales electrolíticos en estado sólido
Los requisitos básicos en los que hay que centrarse en el proceso de construcción de un electrolito de estado sólido de alto rendimiento incluyen.
① Alta conductividad eléctrica.
② Buena estabilidad química, no reacciona con los materiales internos de la batería.
③ Alto número de migración de iones de litio, el número de migración de iones superior a 1 es el estado más ideal.
④ Propiedades mecánicas y tenacidad, para cinco niveles de electrolitos sólidos, hay generalmente un fenómeno más frágil y quebradizo.
Actualmente existen tres grandes vías técnicas con electrolitos en estado sólido: polímero, óxido y sulfuro. Los parámetros de rendimiento de los tres tipos de electrolitos sólidos tienen sus propias ventajas e inconvenientes.
Según la consulta de información pública, en octubre de 2022 el producto de la NASA basado en la ruta del sulfuro, la densidad de energía alcanzó los 500 Wh/kg. 2018 Suzhou, China, anunció el desarrollo de un producto basado en la ruta del óxido, la densidad energética de la batería de estado sólido alcanzó los 400 Wh/kg; en diciembre de 2019 Sakti3 afirmó haber desarrollado una batería de estado sólido con una densidad energética de más de 1000 Wh/kg.
Interfaz de batería de estado sólido
La interfaz de batería de estado sólido se refiere a:
① La interfaz dentro del electrolito sólido.
② La interfaz dentro del material compuesto del cátodo.
③ La interfaz entre el electrolito sólido y el material del cátodo.
④ La interfaz entre el electrolito sólido y el material del electrodo negativo.
El concepto de interfaz se induce en la batería de estado sólido principalmente porque las interfaces de fase sólida de los materiales sólidos no tienen humectabilidad entre sí, lo que dificulta un contacto suficiente y forma una mayor resistencia de contacto. Además, durante los ciclos se producen fenómenos como la interdifusión de elementos y la formación de capas de carga espacial, que afectan al rendimiento de la célula. Existe un gran número de límites de grano en el electrolito cristalino, y la elevada resistencia de los límites de grano no favorece el transporte de iones de litio entre los electrodos positivo y negativo.
Para mejorar el rendimiento de las distintas interfaces (por ejemplo, la conductividad, la capa de carga espacial, etc.), se requiere I+D y diseño especiales en la estructura, el proceso de preparación y la selección de materiales de la batería de estado sólido.
Demanda del mercado
Se espera que la demanda mundial de baterías de estado sólido en 2030 se acerque a los 500 GWH, con un espacio de mercado de más de 150.000 millones, de los cuales la demanda de baterías de energía de estado sólido supera los 350 GWH.
Según las previsiones del Instituto, se espera que los envíos de baterías de estado sólido de China crezcan a un ritmo elevado de 2022 a 2030, pudiendo superar los 250 GWH en 2030, mientras que en el lado de los costes, con el progreso continuo de la tecnología de baterías de estado sólido, el precio de coste de las baterías de estado sólido también seguirá disminuyendo, esperándose que el precio de coste de las baterías de estado sólido en China baje de 1,9 yuanes/Wh en 2022 a 0,8 yuanes/Wh en 2030.
El precio de coste de la batería ternaria de litio en 2022 es de aproximadamente 1 yuan/Wh, y el precio de coste de la batería de litio hierro fosfato es de 0,8 yuanes/Wh.
Por el momento, las baterías líquidas tienen una mayor ventaja en cuanto a coste en comparación con las de estado sólido. Sin embargo, con el desarrollo de la tecnología de las baterías de estado sólido y la implantación de la producción en serie, el coste se acercará al de las baterías líquidas, al tiempo que destacarán las ventajas de su alta densidad energética y su elevada seguridad.