Batería de iones de fluoruro: un potencial competidor para la próxima generación de baterías
Índice
El desarrollo de batería de iones de flúor está recibiendo cada vez más atención como posible competidor para la próxima generación de baterías. Instituciones como Toyota y Honda en Japón, el Instituto de Investigación Helmholtz-Ulm en Alemania, el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA y algunas universidades chinas han iniciado investigaciones al respecto.
La investigación y el desarrollo de las baterías de iones de fluoruro se encuentran aún en una fase muy temprana, y todavía hay que superar muchos problemas para entrar en su aplicación. Sin embargo, la batería de iones de fluoruro tiene un gran potencial y puede sustituir a la batería de iones de litio como batería principal en el futuro, especialmente la batería de iones de fluoruro de estado sólido a temperatura ambiente, que puede sustituir a la batería de iones de litio en el futuro. industria de las pilas de litio una vez que la tecnología esté madura.
Cuatro ventajas de la batería de iones de flúor
Entre las muchas direcciones de las baterías de nueva generación, la batería de iones de fluoruro ha atraído mucha atención debido a una serie de avances en la investigación en los últimos años. Su principio de funcionamiento es similar al de la batería de iones de litio, muy utilizada en la actualidad, es decir, los iones de flúor se utilizan para almacenar energía mediante el desplazamiento entre electrodos positivos y negativos. Los expertos creen que la batería de iones de flúor tiene ventajas significativas sobre la de iones de litio en cuatro aspectos: densidad energética, seguridad, suministro de materias primas y coste.
La búsqueda de una mayor densidad energética es un objetivo importante en la investigación y el desarrollo de baterías recargables, porque significa más capacidad de almacenamiento de energía. La información muestra que la densidad de energía teórica de la batería de iones de fluoruro de estado sólido puede acercarse a los 5.000 vatios-hora por litro, lo que supone ocho veces el límite teórico de la batería de iones de litio.
El profesor de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China introdujo que la batería de iones de flúor utiliza fluoruro de cobre, fluoruro de calcio y otros compuestos como materiales de electrodo, y su masa específica de material activo de electrodo puede proporcionar varias veces la cantidad de carga que la batería de iones de litio, por lo que la densidad de energía es mucho mayor que la batería de iones de litio.
En términos de seguridad, el crecimiento de dendritas de litio es una de las principales razones que afectan a la seguridad de las baterías de iones de litio, mientras que los iones de flúor son extremadamente difíciles de oxidar en monómeros de flúor, lo que puede evitar problemas similares a los del crecimiento de dendritas de litio. En cuanto a las materias primas, la abundancia de flúor en la corteza terrestre es mucho mayor que la de litio, y la producción mundial anual actual de flúor es aproximadamente dos órdenes de magnitud superior a la de litio. Además, la extracción de litio requiere grandes cantidades de agua, frente al impacto medioambiental mucho menor de la extracción de flúor.
En términos de coste, la información muestra que la materia prima cobalto comúnmente utilizada en las baterías de litio es cara, mientras que la batería de iones de fluoruro además de plata, otros ánodos y materiales catódicos cuestan menos, teóricamente el coste por vatio hora de la batería de iones de flúor es sólo de 20% a 25% de la batería de iones de litio.
Tres vías para el desarrollo de las pilas de iones de flúor
Ya en la década de 1970, los científicos han comenzado a estudiar la batería de iones de fluoruro, pero no ha habido ningún progreso sustancial. En 2011, los científicos alemanes tomaron la iniciativa en el desarrollo de la batería de iones de fluoruro totalmente sólida utilizando fluoruro de lantano bario como electrolito, la investigación y el desarrollo de la batería de iones de fluoruro sólo ganó más atención.
En la actualidad, las principales vías técnicas de desarrollo de las baterías de iones de fluoruro son la batería de iones de fluoruro líquido a temperatura ambiente, la batería de iones de fluoruro totalmente sólida a alta temperatura y la batería de iones de fluoruro totalmente sólida a temperatura ambiente. Entre ellas, la batería de iones de fluoruro líquido a temperatura ambiente utiliza como electrolito una solución orgánica inflamable que contiene flúor, lo que entraña riesgos para la seguridad y el medio ambiente; mientras que la batería de iones de fluoruro totalmente sólida a alta temperatura necesita funcionar a alta temperatura y sólo puede aplicarse en el almacenamiento de energía u otros escenarios específicos.
La batería de iones de fluoruro de estado completamente sólido a temperatura ambiente se considera la más valiosa de las tres rutas tecnológicas. En teoría, la batería de iones de fluoruro de estado sólido a temperatura ambiente puede utilizarse en todos los escenarios de aplicación de las actuales baterías de iones de litio, y es probable que sustituya por completo a las baterías de iones de litio una vez que la tecnología esté madura.
Japón concede gran importancia a la I+D de baterías de iones de fluoruro y ha realizado una serie de avances importantes en los últimos años.En diciembre de 2018, el Instituto de Investigación Honda de Japón, el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, Caltech y otras instituciones colaboraron para publicar un artículo en la revista estadounidense Science, en el que se afirma que el equipo preparó por primera vez una batería de iones de fluoruro con un electrolito líquido que puede cargarse y descargarse de forma reversible a temperatura ambiente. batería de iones de fluoruro a temperatura ambiente.
En 2020, la Universidad de Kioto y Toyota anunciaron el éxito de un prototipo de batería de iones de fluoruro totalmente de estado sólido, y los medios de comunicación japoneses informaron entonces de que la batería de iones de fluoruro podría proporcionar una mayor autonomía que una batería de iones de litio del mismo tamaño o peso, y que una autonomía de 1.000 kilómetros con una sola carga para vehículos eléctricos estaría al alcance de la mano en el futuro.
El grupo del profesor Ma Cheng de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China se dedica a la investigación de baterías de iones de fluoruro de estado sólido a temperatura ambiente. En noviembre de 2021, el grupo publicó un artículo en la revista alemana "Smole" en el que se anunciaba el diseño y la síntesis de un nuevo electrolito de ion fluoruro de estado sólido, que consigue un ciclo largo estable de batería de ion fluoruro de estado sólido a temperatura ambiente por primera vez en el ámbito internacional. a 25 grados centígrados Tras 4581 horas de carga y descarga continuas a 25 grados centígrados, no se produjo ninguna degradación significativa de la capacidad de la batería. Anteriormente, el número de ciclos de carga/descarga de la batería de iones de fluoruro de estado sólido a temperatura ambiente de que se disponía en la bibliografía no superaba los 20, lo que se consideraba en general una vía técnica inalcanzable.
Perspectivas y retos del desarrollo de las pilas de iones de flúor
Para que los coches eléctricos duren más de 1.000 km con una sola carga, también es posible utilizar baterías de iones de litio, pero si se quiere que los grandes camiones, barcos, aviones y otros vehículos de gran potencia alcancen una autonomía satisfactoria mediante baterías, hay que encontrar una tecnología de almacenamiento de energía con una densidad energética mucho mayor que la de las baterías de iones de litio, y la batería de iones de flúor es una dirección prometedora para este tipo de tecnología.
El desarrollo de la batería de iones de flúor se encuentra aún en una fase extremadamente temprana. Los investigadores siguen buscando sistemas de materiales adecuados, y aún no han aparecido sistemas con valor práctico y comercial. La batería de iones de fluoruro aún se enfrenta a muchos retos en la fase de investigación básica, entre ellos que los investigadores aún no han encontrado materiales para cátodo y ánodo con un rendimiento de ciclo excelente suficiente, ni electrolitos con valor comercial y excelente rendimiento.
Para que la tecnología de las baterías de iones fluorados muestre su valor de aplicación lo antes posible, sigue siendo necesario aumentar la inversión en investigación básica y resolver una serie de problemas relacionados con la investigación básica, como los materiales de los electrodos y los materiales del electrolito.
Batería de iones de fluoruro: un potencial competidor para la próxima generación de baterías
El desarrollo de batería de iones de flúor está recibiendo cada vez más atención como posible competidor para la próxima generación de baterías. Instituciones como Toyota y Honda en Japón, el Instituto de Investigación Helmholtz-Ulm en Alemania, el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA y algunas universidades chinas han iniciado investigaciones al respecto.
La investigación y el desarrollo de las baterías de iones de fluoruro se encuentran aún en una fase muy temprana, y todavía hay que superar muchos problemas para entrar en su aplicación. Sin embargo, la batería de iones de fluoruro tiene un gran potencial y puede sustituir a la batería de iones de litio como batería principal en el futuro, especialmente la batería de iones de fluoruro de estado sólido a temperatura ambiente, que puede sustituir a la batería de iones de litio en el futuro. industria de las pilas de litio una vez que la tecnología esté madura.
Cuatro ventajas de la batería de iones de flúor
Entre las muchas direcciones de las baterías de nueva generación, la batería de iones de fluoruro ha atraído mucha atención debido a una serie de avances en la investigación en los últimos años. Su principio de funcionamiento es similar al de la batería de iones de litio, muy utilizada en la actualidad, es decir, los iones de flúor se utilizan para almacenar energía mediante el desplazamiento entre electrodos positivos y negativos. Los expertos creen que la batería de iones de flúor tiene ventajas significativas sobre la de iones de litio en cuatro aspectos: densidad energética, seguridad, suministro de materias primas y coste.
La búsqueda de una mayor densidad energética es un objetivo importante en la investigación y el desarrollo de baterías recargables, porque significa más capacidad de almacenamiento de energía. La información muestra que la densidad de energía teórica de la batería de iones de fluoruro de estado sólido puede acercarse a los 5.000 vatios-hora por litro, lo que supone ocho veces el límite teórico de la batería de iones de litio.
El profesor de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China introdujo que la batería de iones de flúor utiliza fluoruro de cobre, fluoruro de calcio y otros compuestos como materiales de electrodo, y su masa específica de material activo de electrodo puede proporcionar varias veces la cantidad de carga que la batería de iones de litio, por lo que la densidad de energía es mucho mayor que la batería de iones de litio.
En términos de seguridad, el crecimiento de dendritas de litio es una de las principales razones que afectan a la seguridad de las baterías de iones de litio, mientras que los iones de flúor son extremadamente difíciles de oxidar en monómeros de flúor, lo que puede evitar problemas similares a los del crecimiento de dendritas de litio. En cuanto a las materias primas, la abundancia de flúor en la corteza terrestre es mucho mayor que la de litio, y la producción mundial anual actual de flúor es aproximadamente dos órdenes de magnitud superior a la de litio. Además, la extracción de litio requiere grandes cantidades de agua, frente al impacto medioambiental mucho menor de la extracción de flúor.
En términos de coste, la información muestra que la materia prima cobalto comúnmente utilizada en las baterías de litio es cara, mientras que la batería de iones de fluoruro además de plata, otros ánodos y materiales catódicos cuestan menos, teóricamente el coste por vatio hora de la batería de iones de flúor es sólo de 20% a 25% de la batería de iones de litio.
Tres vías para el desarrollo de las pilas de iones de flúor
Ya en la década de 1970, los científicos han comenzado a estudiar la batería de iones de fluoruro, pero no ha habido ningún progreso sustancial. En 2011, los científicos alemanes tomaron la iniciativa en el desarrollo de la batería de iones de fluoruro totalmente sólida utilizando fluoruro de lantano bario como electrolito, la investigación y el desarrollo de la batería de iones de fluoruro sólo ganó más atención.
En la actualidad, las principales vías técnicas de desarrollo de las baterías de iones de fluoruro son la batería de iones de fluoruro líquido a temperatura ambiente, la batería de iones de fluoruro totalmente sólida a alta temperatura y la batería de iones de fluoruro totalmente sólida a temperatura ambiente. Entre ellas, la batería de iones de fluoruro líquido a temperatura ambiente utiliza como electrolito una solución orgánica inflamable que contiene flúor, lo que entraña riesgos para la seguridad y el medio ambiente; mientras que la batería de iones de fluoruro totalmente sólida a alta temperatura necesita funcionar a alta temperatura y sólo puede aplicarse en el almacenamiento de energía u otros escenarios específicos.
La batería de iones de fluoruro de estado completamente sólido a temperatura ambiente se considera la más valiosa de las tres rutas tecnológicas. En teoría, la batería de iones de fluoruro de estado sólido a temperatura ambiente puede utilizarse en todos los escenarios de aplicación de las actuales baterías de iones de litio, y es probable que sustituya por completo a las baterías de iones de litio una vez que la tecnología esté madura.
Japón concede gran importancia a la I+D de baterías de iones de fluoruro y ha realizado una serie de avances importantes en los últimos años.En diciembre de 2018, el Instituto de Investigación Honda de Japón, el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, Caltech y otras instituciones colaboraron para publicar un artículo en la revista estadounidense Science, en el que se afirma que el equipo preparó por primera vez una batería de iones de fluoruro con un electrolito líquido que puede cargarse y descargarse de forma reversible a temperatura ambiente. batería de iones de fluoruro a temperatura ambiente.
En 2020, la Universidad de Kioto y Toyota anunciaron el éxito de un prototipo de batería de iones de fluoruro totalmente de estado sólido, y los medios de comunicación japoneses informaron entonces de que la batería de iones de fluoruro podría proporcionar una mayor autonomía que una batería de iones de litio del mismo tamaño o peso, y que una autonomía de 1.000 kilómetros con una sola carga para vehículos eléctricos estaría al alcance de la mano en el futuro.
El grupo del profesor Ma Cheng de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China se dedica a la investigación de baterías de iones de fluoruro de estado sólido a temperatura ambiente. En noviembre de 2021, el grupo publicó un artículo en la revista alemana "Smole" en el que se anunciaba el diseño y la síntesis de un nuevo electrolito de ion fluoruro de estado sólido, que consigue un ciclo largo estable de batería de ion fluoruro de estado sólido a temperatura ambiente por primera vez en el ámbito internacional. a 25 grados centígrados Tras 4581 horas de carga y descarga continuas a 25 grados centígrados, no se produjo ninguna degradación significativa de la capacidad de la batería. Anteriormente, el número de ciclos de carga/descarga de la batería de iones de fluoruro de estado sólido a temperatura ambiente de que se disponía en la bibliografía no superaba los 20, lo que se consideraba en general una vía técnica inalcanzable.
Perspectivas y retos del desarrollo de las pilas de iones de flúor
Para que los coches eléctricos duren más de 1.000 km con una sola carga, también es posible utilizar baterías de iones de litio, pero si se quiere que los grandes camiones, barcos, aviones y otros vehículos de gran potencia alcancen una autonomía satisfactoria mediante baterías, hay que encontrar una tecnología de almacenamiento de energía con una densidad energética mucho mayor que la de las baterías de iones de litio, y la batería de iones de flúor es una dirección prometedora para este tipo de tecnología.
El desarrollo de la batería de iones de flúor se encuentra aún en una fase extremadamente temprana. Los investigadores siguen buscando sistemas de materiales adecuados, y aún no han aparecido sistemas con valor práctico y comercial. La batería de iones de fluoruro aún se enfrenta a muchos retos en la fase de investigación básica, entre ellos que los investigadores aún no han encontrado materiales para cátodo y ánodo con un rendimiento de ciclo excelente suficiente, ni electrolitos con valor comercial y excelente rendimiento.
Para que la tecnología de las baterías de iones fluorados muestre su valor de aplicación lo antes posible, sigue siendo necesario aumentar la inversión en investigación básica y resolver una serie de problemas relacionados con la investigación básica, como los materiales de los electrodos y los materiales del electrolito.