Baterías de estado sólido: guía y resumen definitivo
Con el rápido desarrollo de las nuevas tecnologías energéticas, las baterías de estado sólido, como nuevo tipo de dispositivo de almacenamiento de energía con gran potencial, están pasando gradualmente del laboratorio a la industrialización. Ha atraído la atención mundial por su alta densidad energética, sus prestaciones de seguridad superiores y su larga vida útil.
El artículo proporcionará una guía completa sobre la visión general, los principios, las ventajas y los inconvenientes del batería de estado sólido.
Índice
¿Qué es una batería de estado sólido?
Una batería de estado sólido es un tipo de batería que utiliza un electrodo sólido y un electrolito sólido. El material del electrodo negativo de la batería de estado sólido puede ser un electrodo negativo compuesto de nano silicio y grafito, y el materiales catódicos puede ser manganato de litio, materiales a base de manganato ricos en litio o materiales catódicos sin litio. El electrolito es un electrolito sólido con una densidad energética de 300 a 450 vatios-hora/kg.
La batería de estado sólido utiliza electrolitos sólidos para sustituir al electrolito y separador de baterías de litioque son más seguras, tienen mayor densidad energética y un mejor rendimiento cíclico, y se han convertido en la principal dirección de investigación y desarrollo de la próxima generación de baterías eléctricas.
Según los materiales del electrolito, las baterías de estado sólido pueden dividirse en polímero, óxido y sulfuro de tres electrolitos. Según los distintos tipos de electrodos negativos, las baterías de litio de estado sólido pueden dividirse en baterías de iones de litio de estado sólido y baterías de metal de litio de estado sólido.
Mecanismo de conducción iónica de la batería de estado sólido
Los electrolitos sólidos se dividen generalmente en electrolitos sólidos inorgánicos y electrolitos sólidos poliméricos. La migración de iones en materiales cristalinos de electrolitos sólidos inorgánicos suele seguir la fórmula de Arrhenius, que depende de la concentración y distribución de defectos en la estructura cristalina. El mecanismo de difusión de iones basado en los defectos puntuales de Schottky y Frenkel incluye la difusión simple de vacantes y el mecanismo relativamente complejo de bivacantes, el mecanismo de brecha y el mecanismo de intercambio brecha-desplazamiento.
El electrolito sólido polimérico es generalmente una solución sólida formada por una mezcla uniforme de matriz polimérica y sal de litio. Comparado con el electrolito sólido inorgánico, el electrolito sólido polimérico tiene las ventajas de una buena blandura, alta viscosidad, bajo coste y fácil procesamiento.
Los grupos polares del electrolito polimérico, como C = O, C = N, -O -, un S -, etc., pueden coordinarse con los iones de litio para promover la disolución de las sales de litio y producir iones que se muevan libremente. En la actualidad, la mayoría de los estudios consideran que el transporte de iones en los electrolitos poliméricos se produce principalmente en la región amorfa por encima de Tg, por lo que la capacidad de movimiento de sus segmentos de cadena es también la clave para un transporte eficaz de los iones.
Ventajas de las baterías de litio de estado sólido
En la batería de litio de estado sólido, el electrolito sólido sustituye al electrolito líquido orgánico para obtener algunas ventajas potenciales. Teniendo en cuenta las diferencias significativas entre el electrolito polimérico y el electrolito inorgánico en cuanto a conducción de iones, estabilidad térmica, propiedades mecánicas, etc., aquí nos centramos principalmente en la batería de litio de estado sólido basada en el electrolito inorgánico.
Buena seguridad
El electrolito orgánico inflamable se abandona por completo en la batería de litio de estado sólido, por lo que puede eliminar las fugas de electrolito y la sobrecarga o sobredescarga de la descomposición del electrolito, la gasificación, la combustión y otros riesgos de seguridad. La elevada temperatura de descomposición térmica del electrolito sólido puede eliminar el riesgo de deformación o descomposición de la membrana polimérica en caso de abuso térmico.
Además, el electrolito sólido tiene un módulo de Young elevado, especialmente el electrolito sólido inorgánico, que puede reducir el riesgo de cortocircuito interno causada por el crecimiento de dendritas de litio, mientras que el electrolito sólido tiene buena estabilidad térmica y baja reactividad con los electrodos positivo y negativo, y no es fácil que se produzcan reacciones en cadena, lo que puede reducir el riesgo de embalamiento térmico. Por lo tanto, las baterías de litio de estado totalmente sólido tienen unas características de seguridad elevadas.
Alta densidad energética
La elevada seguridad de los electrolitos sólidos hace posible la aplicación de ánodos metálicos de litio de alta energía específica en estado sólido de batería. La batería de estado sólido puede realizar el apilamiento bipolar debido a la no fluidez del electrolito de estado sólido, lo que simplifica la. producción de baterías y reduce la proporción de componentes no electroquímicamente activos, como el embalaje exterior.
Además, las baterías de estado sólido pueden funcionar en un amplio rango de temperaturas, lo que simplifica el sistema de control de temperatura. El cátodo metálico de litio de alta capacidad y la estructura compacta de la batería ofrecen ventajas potenciales en términos de densidad energética.
Alta densidad de potencia
La concentración de iones de litio (1-2 mol dm-3) y el número de migración de iones en el electrolito orgánico líquido son bajos (alrededor de 0,4-0,5), y la insuficiente tasa de migración de aniones y cationes conduce al gradiente de concentración de iones cuando se carga y descarga en condiciones de alta densidad de corriente, por lo que es incapaz de proporcionar un transporte de iones continuo y rápido.
En cambio, los electrolitos sólidos inorgánicos suelen tener una alta concentración de iones de litio (unos 35 mol dm-3 en el electrolito Li10GeP2S12) y un elevado número de migración iónica (cercano a 1), y aún así pueden proporcionar una conducción iónica continua y rápida cuando funcionan a una alta densidad de corriente. Por tanto, las baterías de litio de estado sólido presentan ventajas potenciales en términos de potencia de salida.
Larga vida útil
En las baterías de iones de litio líquidas, el grosor de la capa de fase intermedia de electrolito sólido (SEI) seguirá aumentando hasta que sea imposible llevar a cabo la tunelización de electrones y la penetración de disolventes, y este proceso seguirá consumiendo elementos de litio y electrolito, y acabará provocando la pérdida de litio y la desecación del electrolito.
En una batería de litio de estado sólido, se forma rápidamente una capa SEI entre el material del electrodo negativo y el electrolito sólido. Aunque la formación de la SEI puede dificultar el transporte interfacial de carga, su buen aislamiento electrónico puede evitar la continua ruptura del electrolito, contribuyendo así a mejorar la vida útil de la batería.
Amplia gama de temperaturas de funcionamiento
Cuando desciende la temperatura de funcionamiento de la batería, aumenta la viscosidad del electrolito líquido, o incluso se solidifica, lo que provoca una rápida disminución de la conductividad del ion litio. En el caso de los electrolitos sólidos, el valor de la conductividad del ion litio disminuye linealmente con la disminución de la temperatura. Además, el electrolito sólido tiene una buena estabilidad térmica, y no se producirán fenómenos como la gasificación del electrolito o la contracción/fundición del diafragma en condiciones de funcionamiento a alta temperatura. Por lo tanto, las baterías de litio de estado totalmente sólido pueden funcionar en un amplio rango de temperaturas.
Las desventajas de las baterías de litio de estado sólido
La conductividad iónica del material final es baja
En las pilas de estado sólido, la interfaz de contacto entre el electrodo y el electrolito pasa de ser un contacto sólido-líquido a un contacto sólido-sólido, y como la fase sólida no es mojable, el área de contacto es pequeña y la resistencia de la interfaz es mayor.
Al mismo tiempo, existe un gran número de límites de grano en el electrolito sólido, y la resistencia de los límites de grano es a menudo superior a la resistencia del material, lo que no favorece la transmisión de iones de litio entre los electrodos positivo y negativo.
Coste elevado
El coste de las baterías de estado sólido es mayor que el de las baterías líquidas, lo que se refleja principalmente en los electrolitos de estado sólido y los electrodos positivo y negativo.
Actualmente, el electrolito sólido es difícil de diluir. Algunas de las materias primas de metales raros utilizadas tienen un precio relativamente alto. Por ejemplo, el electrolito de óxido contiene circonio, el electrolito de sulfuro contiene germanio, y los materiales de electrodo positivo y negativo altamente activos utilizados en la superposición de alta densidad energética no están maduros.
El precio del cinturón compuesto de cobre y litio es de 10.000 yuanes /kg, por lo que el estado sólido también plantea requisitos más estrictos en el proceso de producción, el coste y el control de calidad.
Conclusión
En resumen, las baterías de estado sólido, con sus importantes ventajas de rendimiento, se han convertido en la dirección de desarrollo de la alta rendimiento de la batería tecnología en el futuro. A pesar de los retos técnicos y los problemas económicos, con la aceleración de la investigación y el desarrollo mundiales y la optimización continua de nuevos sistemas de materiales, se espera que las baterías de estado sólido alcancen aplicaciones comerciales en un futuro próximo, aportando cambios revolucionarios a muchos campos.
Tess
Hola! Soy un escritor senior en la industria de intercambio de baterías de dos y tres ruedas, con muchos años de experiencia en la escritura, comprometido a proporcionar los últimos conocimientos, servicios y un conjunto completo de soluciones de intercambio de baterías para diversas industrias.
Baterías de estado sólido: guía y resumen definitivo
Con el rápido desarrollo de las nuevas tecnologías energéticas, las baterías de estado sólido, como nuevo tipo de dispositivo de almacenamiento de energía con gran potencial, están pasando gradualmente del laboratorio a la industrialización. Ha atraído la atención mundial por su alta densidad energética, sus prestaciones de seguridad superiores y su larga vida útil.
El artículo proporcionará una guía completa sobre la visión general, los principios, las ventajas y los inconvenientes del batería de estado sólido.
¿Qué es una batería de estado sólido?
Una batería de estado sólido es un tipo de batería que utiliza un electrodo sólido y un electrolito sólido. El material del electrodo negativo de la batería de estado sólido puede ser un electrodo negativo compuesto de nano silicio y grafito, y el materiales catódicos puede ser manganato de litio, materiales a base de manganato ricos en litio o materiales catódicos sin litio. El electrolito es un electrolito sólido con una densidad energética de 300 a 450 vatios-hora/kg.
La batería de estado sólido utiliza electrolitos sólidos para sustituir al electrolito y separador de baterías de litioque son más seguras, tienen mayor densidad energética y un mejor rendimiento cíclico, y se han convertido en la principal dirección de investigación y desarrollo de la próxima generación de baterías eléctricas.
Según los materiales del electrolito, las baterías de estado sólido pueden dividirse en polímero, óxido y sulfuro de tres electrolitos. Según los distintos tipos de electrodos negativos, las baterías de litio de estado sólido pueden dividirse en baterías de iones de litio de estado sólido y baterías de metal de litio de estado sólido.
Mecanismo de conducción iónica de la batería de estado sólido
Los electrolitos sólidos se dividen generalmente en electrolitos sólidos inorgánicos y electrolitos sólidos poliméricos. La migración de iones en materiales cristalinos de electrolitos sólidos inorgánicos suele seguir la fórmula de Arrhenius, que depende de la concentración y distribución de defectos en la estructura cristalina. El mecanismo de difusión de iones basado en los defectos puntuales de Schottky y Frenkel incluye la difusión simple de vacantes y el mecanismo relativamente complejo de bivacantes, el mecanismo de brecha y el mecanismo de intercambio brecha-desplazamiento.
El electrolito sólido polimérico es generalmente una solución sólida formada por una mezcla uniforme de matriz polimérica y sal de litio. Comparado con el electrolito sólido inorgánico, el electrolito sólido polimérico tiene las ventajas de una buena blandura, alta viscosidad, bajo coste y fácil procesamiento.
Los grupos polares del electrolito polimérico, como C = O, C = N, -O -, un S -, etc., pueden coordinarse con los iones de litio para promover la disolución de las sales de litio y producir iones que se muevan libremente. En la actualidad, la mayoría de los estudios consideran que el transporte de iones en los electrolitos poliméricos se produce principalmente en la región amorfa por encima de Tg, por lo que la capacidad de movimiento de sus segmentos de cadena es también la clave para un transporte eficaz de los iones.
Ventajas de las baterías de litio de estado sólido
Buena seguridad
El electrolito orgánico inflamable se abandona por completo en la batería de litio de estado sólido, por lo que puede eliminar las fugas de electrolito y la sobrecarga o sobredescarga de la descomposición del electrolito, la gasificación, la combustión y otros riesgos de seguridad. La elevada temperatura de descomposición térmica del electrolito sólido puede eliminar el riesgo de deformación o descomposición de la membrana polimérica en caso de abuso térmico.
Además, el electrolito sólido tiene un módulo de Young elevado, especialmente el electrolito sólido inorgánico, que puede reducir el riesgo de cortocircuito interno causada por el crecimiento de dendritas de litio, mientras que el electrolito sólido tiene buena estabilidad térmica y baja reactividad con los electrodos positivo y negativo, y no es fácil que se produzcan reacciones en cadena, lo que puede reducir el riesgo de embalamiento térmico. Por lo tanto, las baterías de litio de estado totalmente sólido tienen unas características de seguridad elevadas.
Alta densidad energética
La elevada seguridad de los electrolitos sólidos hace posible la aplicación de ánodos metálicos de litio de alta energía específica en estado sólido de batería. La batería de estado sólido puede realizar el apilamiento bipolar debido a la no fluidez del electrolito de estado sólido, lo que simplifica la. producción de baterías y reduce la proporción de componentes no electroquímicamente activos, como el embalaje exterior.
Además, las baterías de estado sólido pueden funcionar en un amplio rango de temperaturas, lo que simplifica el sistema de control de temperatura. El cátodo metálico de litio de alta capacidad y la estructura compacta de la batería ofrecen ventajas potenciales en términos de densidad energética.
Alta densidad de potencia
La concentración de iones de litio (1-2 mol dm-3) y el número de migración de iones en el electrolito orgánico líquido son bajos (alrededor de 0,4-0,5), y la insuficiente tasa de migración de aniones y cationes conduce al gradiente de concentración de iones cuando se carga y descarga en condiciones de alta densidad de corriente, por lo que es incapaz de proporcionar un transporte de iones continuo y rápido.
En cambio, los electrolitos sólidos inorgánicos suelen tener una alta concentración de iones de litio (unos 35 mol dm-3 en el electrolito Li10GeP2S12) y un elevado número de migración iónica (cercano a 1), y aún así pueden proporcionar una conducción iónica continua y rápida cuando funcionan a una alta densidad de corriente. Por tanto, las baterías de litio de estado sólido presentan ventajas potenciales en términos de potencia de salida.
Larga vida útil
Amplia gama de temperaturas de funcionamiento
Las desventajas de las baterías de litio de estado sólido
La conductividad iónica del material final es baja
Coste elevado
El coste de las baterías de estado sólido es mayor que el de las baterías líquidas, lo que se refleja principalmente en los electrolitos de estado sólido y los electrodos positivo y negativo.
Actualmente, el electrolito sólido es difícil de diluir. Algunas de las materias primas de metales raros utilizadas tienen un precio relativamente alto. Por ejemplo, el electrolito de óxido contiene circonio, el electrolito de sulfuro contiene germanio, y los materiales de electrodo positivo y negativo altamente activos utilizados en la superposición de alta densidad energética no están maduros.
El precio del cinturón compuesto de cobre y litio es de 10.000 yuanes /kg, por lo que el estado sólido también plantea requisitos más estrictos en el proceso de producción, el coste y el control de calidad.
Conclusión
En resumen, las baterías de estado sólido, con sus importantes ventajas de rendimiento, se han convertido en la dirección de desarrollo de la alta rendimiento de la batería tecnología en el futuro. A pesar de los retos técnicos y los problemas económicos, con la aceleración de la investigación y el desarrollo mundiales y la optimización continua de nuevos sistemas de materiales, se espera que las baterías de estado sólido alcancen aplicaciones comerciales en un futuro próximo, aportando cambios revolucionarios a muchos campos.