Batería de iones de litio de estado sólido: introducción y futuro
Índice
Hoy en día, los vehículos eléctricos se han convertido gradualmente en la corriente principal del mercado automovilístico. Además de prestar atención a la inteligencia del producto, el kilometraje y las capacidades técnicas, los consumidores de automóviles están más preocupados por la batería de los vehículos eléctricos. Después de todo, la batería es el corazón de los vehículos eléctricos. Por eso, los principales fabricantes están invirtiendo mucho en la investigación y el desarrollo de baterías, especialmente en la tecnología de baterías de iones de litio de estado sólido.
Situación del mercado de baterías de estado sólido de iones de litio
En los últimos tres años, con la expansión de la demanda en el mercado de vehículos eléctricos, la potencia industria de las pilas de litioha estado dominada por las empresas mineras de litio de fases anteriores. Y el precio del mineral de litio ha subido bruscamente de menos de 40.000 RMB/tonelada en 2020 al más alto de 570.000 RMB/tonelada, convirtiéndose en el "petróleo blanco" de la era de las nuevas energías.
A principios de este año,la capacidad de producción de las minas de litio, sobre todo en Australia, se ha acelerado, y la industria de reciclaje de materiales para baterías ha abierto nuevas oportunidades debido al aumento de los precios, y los recursos reciclados han sustituido en gran medida la demanda original de recursos.
Al mismo tiempo, tras el auge de los vehículos energéticos, la demanda descendente ha languidecido en cierta medida. Bajo el doble golpe de la demanda y la oferta, el mineral de litio también sufrió un duro golpe, y su precio cayó a 150.000 RMB/tonelada en sólo tres meses.
Al mismo tiempo que baja el precio del mineral de litio, vuelve a destacarse la economía de las baterías de iones de litio. Las baterías de estado sólido de iones de litio, subestimadas en los dos últimos años, han vuelto a ser reconocidas por la gente bajo el doble beneficio del mercado y la tecnología.
¿Qué es una batería de iones de litio de estado sólido?
Si las baterías de iones de litio se clasifican según la forma del electrolito, pueden dividirse en baterías líquidas y baterías de estado sólido según la cantidad de líquido que contengan, y las baterías de estado sólido pueden dividirse en tres tipos: baterías semisólidas, baterías de estado casi sólido y baterías totalmente sólidas.
El electrolito de la batería líquida está compuesto por líquido, mientras que el porcentaje de masa de electrolito de la batería de estado semisólido es <10%, el porcentaje de masa de electrolito de la batería de estado casi sólido es <5%, y todas las baterías de estado sólido no contienen ningún electrolito líquido.
Diferencias entre pila de estado sólido y pila líquida
La pila de estado sólido y la pila líquida se diferencian en los tres aspectos siguientes.
Densidad energética
Las baterías líquidas están a punto de alcanzar el cuello de botella de la densidad energética, mientras que las de estado sólido tienen un límite superior de la misma. Según los datos estadísticos, la densidad energética de las baterías de iones de litio se ha triplicado de 1991 a 2015, y la GAGR era de unos 3%. Según cálculos lineales, la densidad energética en 2020 y 2025 solo podrá alcanzar los 300Wh/kg y 320Wh/kg.
Sin embargo, desde un punto de vista técnico práctico, debido a la actividad extremadamente fuerte y a la escasa estabilidad del ánodo de metal de litio, es extremadamente difícil que sea compatible con el electrolito líquido. Por lo tanto, no se pueden aprovechar las ventajas de su potencial electroquímico más bajo y su capacidad extremadamente alta, lo que limita directamente el desarrollo de la densidad energética de toda la batería.
Además, es difícil que el electrolito coincida con el cátodo de alta tensión. El voltaje del electrolito corriente principal no exceda de 4,5 V, lo que restringe directamente el rango opcional de. materiales catódicos y limita así el desarrollo de la densidad energética.
En otras palabras, el ritmo de crecimiento de la densidad energética de las baterías de iones de litio se ha ralentizado considerablemente y se acerca al límite teórico. Sin actualizar los materiales, es difícil hacer nuevos avances.
Los electrolitos sólidos resuelven bien estos problemas. En comparación con el electrolito líquido, el electrolito sólido tiene un rendimiento electroquímico más estable y puede ser compatible con el ánodo metálico de litio altamente activo. Al mismo tiempo, el electrolito sólido puede inhibir la precipitación de dendritas de litio, lo que cumple las condiciones necesarias para la aplicación del ánodo de metal de litio.
Al mismo tiempo, algunos electrolitos de estado sólido tienen un mayor rango de voltaje, que puede adaptarse a materiales de cátodo de alto voltaje. Si se utilizan ánodos de metal de litio, teóricamente, el cátodo puede fabricarse con materiales sin litio, y se espera que la densidad energética y el espacio de reducción de costes mejoren considerablemente. Se espera que la densidad energética volumétrica supere los 100 Wh/L.
Seguridad
Las baterías líquidas tienen dificultades para resolver el problema de la seguridad, mientras que las baterías de estado sólido evitan fundamentalmente la aparición de problemas.
El electrolito es el principal causante de los accidentes de seguridad de las baterías de iones de litio líquido. El desbordamiento térmico de las baterías de litio se debe principalmente al cortocircuito interno o a la alta temperatura de funcionamiento, que provoca el aumento inicial de la temperatura y causa la descomposición de la película SEI. Al mismo tiempo, el aumento continuo de la temperatura del electrolito libera una variedad de gases combustibles y oxígeno, y luego se quema.
En la actualidad, la industria de las baterías de litio se basa principalmente en la mitigación del desbordamiento térmico para hacer frente a los accidentes de seguridad, como la adición de retardantes de llama o gases inertes en las celdas de la batería, y la adición de diseño antipunzonamiento o barreras térmicas en la superficie del pack. Sin embargo, el electrolito de alto riesgo sigue siendo la esencia que causa los problemas de seguridad de la LIB, y como es un material necesario de la LIB, el problema de seguridad no puede resolverse en teoría.
Mientras tanto, la temperatura inicial de runaway de los electrolitos sólidos supera la de los electrolitos líquidos (120°C), y los electrolitos sólidos de óxido son los más seguros, con temperaturas de runaway térmico superiores a 600°C, lo que teóricamente elimina problemas de seguridad como la combustión de las baterías.
Optimización del proceso
El espacio para la optimización del proceso de las baterías líquidas es mucho menor que el de las baterías de estado sólido.
En la actualidad, el proceso de fabricación de telecomunicaciones de baterías líquidas incluye principalmente la preparación de electrodos (método húmedo principalmente)→enrollado→embalaje→inyección de líquido→formación química→clasificación→montaje. Mientras que las tecnologías de mezcla de lodos de alta velocidad, revestimiento y bobinado/apilado y la tecnología de baterías de gran capacidad promueven la expansión continua de la capacidad de producción de una sola línea.
Proceso de fabricación de una batería de estado sólido
Sin embargo, debido a la baja eficiencia del recubrimiento y el secado, y a la necesidad de detener el alambre e insertar la pieza del polo en el proceso de bobinado en el proceso de preparación del electrodo húmedo, incluso la tecnología 4680 mejorada de Tesla sigue implicando complicados procesos de soldadura láser, por lo que sigue existiendo un gran cuello de botella en la mejora de la eficiencia de la fabricación de baterías.
Además, el proceso tradicional de ensamblaje de una MC como célula-módulo-batería-cuerpo utiliza un gran número de componentes y añade masa total, además de implicar complejas conexiones y sistemas de gestión de la batería.
Las baterías de estado sólido pueden utilizar la tecnología de electrodo seco, que es una tecnología de producción sin disolventes. El método consiste en mezclar materiales de cátodo y ánodo con aglutinante y, a continuación, formar directamente un electrodo en forma de lámina o película fina mediante calandrado, pulverización, extrusión o deposición de vapor.
En comparación con la preparación de electrodos en húmedo, las ventajas de la tecnología en seco se reflejan principalmente a continuación: ① Omite los pasos de mezcla de lechada, secado y recuperación de disolventes nocivos, lo que ahorra costes de producción como materiales, tiempo, talleres y mano de obra. ② En términos de rendimiento, el electrodo es más grueso y la densidad energética es mayor. ③ Más respetuoso con el medio ambiente sin disolventes tóxicos.
Además, en el proceso de ensamblaje, la propia célula de batería de estado sólido con estructura bipolar multicapa puede considerarse un proceso de empaquetado. El empaquetado denso conectado en serie puede mejorar en gran medida la tasa de utilización del espacio, lograr una menor resistencia interna, una mayor densidad de energía y una mayor salida de corriente. En el proceso de empaquetado posterior, no hay necesidad de una conexión compleja, lo que supone un gran espacio para mejorar la eficiencia y reducir el coste tras la producción en masa.
La optimización de la batería de estado sólido
La optimización de la batería de estado sólido puede iniciarse desde los tres aspectos siguientes.
Electrolito
En la actualidad, existen tres vías principales para la selección de materiales electrolíticos para baterías de estado sólido: polímeros, óxidos y sulfuros. Los tres sistemas técnicos son diferentes y cada uno tiene sus propias ventajas e inconvenientes.
– Polímero: La ventaja del polímero como electrolito es que es fácil de procesar, compatible con los equipos y procesos de producción existentes de electrolito líquido, y tiene buenas propiedades mecánicas. Sin embargo, su conductividad es demasiado baja, y es necesario calentarlo a 60°C para que funcione con normalidad, y no puede adaptarse a los materiales catódicos de alta tensión.
– Sulfuro: El sulfuro es justo lo contrario del polímero: tiene la conductividad más alta y una gran estabilidad electroquímica, lo que lo convierte en la ruta técnica más potencial. Pero el proceso de preparación de sulfuro es muy complejo, y fácil de reaccionar con el agua y el oxígeno en el aire para producir sulfuro de hidrógeno gas altamente tóxico.
– Óxido: El óxido tiene las ventajas de los dos anteriores. Tiene una conductividad, estabilidad y rendimiento electroquímico relativamente buenos, lo que la convierte en la tecnología que más rápido avanza en la actualidad. Debido a su coste de desarrollo relativamente bajo y a su dificultad, los fabricantes chinos se están centrando en los electrolitos sólidos de óxido, y se espera que aumente su escala en las baterías de estado semisólido.
Desde una perspectiva a largo plazo, aunque la investigación y el desarrollo de electrolitos sólidos de sulfuro es difícil, debido a su excelente rendimiento y gran potencial, atrae a empresas de baterías potentes y bien capitalizadas para invertir continuamente en investigación y desarrollo. Muchos líderes de la industria con más de diez años de acumulación tecnológica lo eligen como principal vía tecnológica, una vez logrado un gran avance, es muy probable que se formen altas barreras técnicas.
Material del electrodo
Las baterías de estado sólido podrían seguir con el sistema de ánodos existente, pero no serviría de mucho para mejorar la densidad energética. Si se quiere aumentar mucho la capacidad, hay que aplicar el ánodo de metal de litio de forma más eficiente.
El ánodo de metal de litio tiene la ventaja de su alta densidad energética, que está directamente relacionada con la capacidad de la batería. Por lo tanto, podemos decir que la empresa que domine la tecnología de aplicación del ánodo de metal de litio podrá obtener la doble ventaja del rendimiento y el coste del producto, y ocupar las alturas estratégicas del mercado.
Sin embargo, en la actualidad, el ánodo de metal de litio necesita resolver el problema de la estabilidad, y existe un gran potencial para reducir el coste de la producción en masa de ánodos de metal de litio.
Batería de estado semisólido
Las baterías totalmente de estado sólido aún tienen dificultades técnicas que superar. Por ejemplo, la conductividad iónica de los electrolitos en estado sólido es mucho menor que la de los electrolitos líquidos, lo que provoca un aumento significativo de la resistencia interna de la batería, un rendimiento deficiente del ciclo de la batería y un rendimiento deficiente de la tasa. Por otro lado, el elevado coste también es un factor que limita la comercialización de las baterías de estado sólido. En la actualidad, la cadena industrial de las baterías de litio líquido está muy madura, y se pueden producir baterías de litio con mejores prestaciones a bajo coste, mientras que la cadena industrial de las baterías totalmente de estado sólido aún no está lo suficientemente madura. En estos momentos, la batería semisólida es la mejor opción como solución intermedia.
El proceso de fabricación y los equipos de la pila de estado semisólido son muy similares a los de la pila de litio actual; sólo algunos eslabones clave del proceso, como el estado sólido in situ, la mezcla y la inyección de líquido, son diferentes de los de la pila líquida actual. Sin embargo, la batería de estado semisólido tiene muchas características, como alta densidad energética, tamaño reducido, mayor seguridad y mejor flexibilidad. Se ha convertido en la primera opción de la próxima ruta tecnológica de baterías para los fabricantes de automóviles.
Al mismo tiempo, la batería de estado semisólido también se considera una vía de transición hacia el estado completamente sólido. Al fin y al cabo, ninguna tecnología nueva se consigue de la noche a la mañana, sino que hay que investigarla y desarrollarla paso a paso.
Estado de desarrollo mundial de la batería de estado sólido
La transición gradual de las baterías líquidas a las de estado sólido es una tendencia importante en el progreso de la tecnología de las baterías de litio. A nivel mundial, las principales empresas automovilísticas, compañías de baterías, instituciones de inversión e instituciones de investigación científica están desplegando activamente capital, tecnología y talentos para acelerar la industrialización de las baterías de estado sólido.
Los principales fabricantes de automóviles y gobiernos de todo el mundo están entrando en la carrera de las baterías de estado sólido. Desde una perspectiva global, puede dividirse a grandes rasgos en tres bandos: China, Japón y Corea del Sur, Europa y Estados Unidos.
En cuanto a la dirección de la tecnología, Japón y Corea del Sur empezaron antes y eligieron la vía del electrolito de estado sólido de sulfuro. En la actualidad, las empresas japonesas y surcoreanas poseen el mayor número de patentes de baterías de estado sólido del mundo.
El gobierno surcoreano anunció el 20 de abril que invertirá conjuntamente 20 billones de KRW antes de 2030, liderado por el gobierno y sus principales empresas de baterías, para desarrollar tecnologías avanzadas de baterías, incluidas las baterías de estado sólido, y comenzar la producción comercial en 2025 , para mantener la fortaleza de Corea del Sur en el campo de las baterías de energía.
En Europa y Estados Unidos, se opta sobre todo por la ruta del electrolito sólido de óxido para el desarrollo de aplicaciones de ánodos de litio metálico. En China, se han trazado las tres rutas del electrolito de estado sólido. Al tiempo que desarrolla baterías totalmente de estado sólido, China también está desarrollando enérgicamente baterías de estado semisólido, más respetuosas con las industrias existentes.
Resumen
Como mejora de las baterías de litio tradicionales, las baterías de estado sólido obtienen mayor densidad energética, mejor seguridad, mayor espacio para la optimización de procesos y mayor flexibilidad al sustituir los electrolitos y los materiales de los electrodos, convirtiéndose en la forma ideal de las baterías de litio de próxima generación.
Hasta ahora, los tres electrolitos sólidos tienen sus propias ventajas e inconvenientes, y ninguno de ellos es tan bueno como en teoría. Además, la falta de producción a gran escala ha incrementado enormemente el coste de las baterías de estado sólido.
Pero con el paso del tiempo y los avances tecnológicos, podemos creer que las baterías de estado sólido se irán extendiendo poco a poco y sustituirán gradualmente a las tradicionales baterías de litio líquido en diversos campos.
Batería de iones de litio de estado sólido: introducción y futuro
Hoy en día, los vehículos eléctricos se han convertido gradualmente en la corriente principal del mercado automovilístico. Además de prestar atención a la inteligencia del producto, el kilometraje y las capacidades técnicas, los consumidores de automóviles están más preocupados por la batería de los vehículos eléctricos. Después de todo, la batería es el corazón de los vehículos eléctricos. Por eso, los principales fabricantes están invirtiendo mucho en la investigación y el desarrollo de baterías, especialmente en la tecnología de baterías de iones de litio de estado sólido.
Situación del mercado de baterías de estado sólido de iones de litio
En los últimos tres años, con la expansión de la demanda en el mercado de vehículos eléctricos, la potencia industria de las pilas de litio ha estado dominada por las empresas mineras de litio de fases anteriores. Y el precio del mineral de litio ha subido bruscamente de menos de 40.000 RMB/tonelada en 2020 al más alto de 570.000 RMB/tonelada, convirtiéndose en el "petróleo blanco" de la era de las nuevas energías.
A principios de este año,la capacidad de producción de las minas de litio, sobre todo en Australia, se ha acelerado, y la industria de reciclaje de materiales para baterías ha abierto nuevas oportunidades debido al aumento de los precios, y los recursos reciclados han sustituido en gran medida la demanda original de recursos.
Al mismo tiempo, tras el auge de los vehículos energéticos, la demanda descendente ha languidecido en cierta medida. Bajo el doble golpe de la demanda y la oferta, el mineral de litio también sufrió un duro golpe, y su precio cayó a 150.000 RMB/tonelada en sólo tres meses.
Al mismo tiempo que baja el precio del mineral de litio, vuelve a destacarse la economía de las baterías de iones de litio. Las baterías de estado sólido de iones de litio, subestimadas en los dos últimos años, han vuelto a ser reconocidas por la gente bajo el doble beneficio del mercado y la tecnología.
¿Qué es una batería de iones de litio de estado sólido?
Si las baterías de iones de litio se clasifican según la forma del electrolito, pueden dividirse en baterías líquidas y baterías de estado sólido según la cantidad de líquido que contengan, y las baterías de estado sólido pueden dividirse en tres tipos: baterías semisólidas, baterías de estado casi sólido y baterías totalmente sólidas.
El electrolito de la batería líquida está compuesto por líquido, mientras que el porcentaje de masa de electrolito de la batería de estado semisólido es <10%, el porcentaje de masa de electrolito de la batería de estado casi sólido es <5%, y todas las baterías de estado sólido no contienen ningún electrolito líquido.
Diferencias entre pila de estado sólido y pila líquida
La pila de estado sólido y la pila líquida se diferencian en los tres aspectos siguientes.
Densidad energética
Las baterías líquidas están a punto de alcanzar el cuello de botella de la densidad energética, mientras que las de estado sólido tienen un límite superior de la misma.
Según los datos estadísticos, la densidad energética de las baterías de iones de litio se ha triplicado de 1991 a 2015, y la GAGR era de unos 3%. Según cálculos lineales, la densidad energética en 2020 y 2025 solo podrá alcanzar los 300Wh/kg y 320Wh/kg.
Sin embargo, desde un punto de vista técnico práctico, debido a la actividad extremadamente fuerte y a la escasa estabilidad del ánodo de metal de litio, es extremadamente difícil que sea compatible con el electrolito líquido. Por lo tanto, no se pueden aprovechar las ventajas de su potencial electroquímico más bajo y su capacidad extremadamente alta, lo que limita directamente el desarrollo de la densidad energética de toda la batería.
Además, es difícil que el electrolito coincida con el cátodo de alta tensión. El voltaje del electrolito corriente principal no exceda de 4,5 V, lo que restringe directamente el rango opcional de. materiales catódicos y limita así el desarrollo de la densidad energética.
En otras palabras, el ritmo de crecimiento de la densidad energética de las baterías de iones de litio se ha ralentizado considerablemente y se acerca al límite teórico. Sin actualizar los materiales, es difícil hacer nuevos avances.
Los electrolitos sólidos resuelven bien estos problemas. En comparación con el electrolito líquido, el electrolito sólido tiene un rendimiento electroquímico más estable y puede ser compatible con el ánodo metálico de litio altamente activo. Al mismo tiempo, el electrolito sólido puede inhibir la precipitación de dendritas de litio, lo que cumple las condiciones necesarias para la aplicación del ánodo de metal de litio.
Al mismo tiempo, algunos electrolitos de estado sólido tienen un mayor rango de voltaje, que puede adaptarse a materiales de cátodo de alto voltaje. Si se utilizan ánodos de metal de litio, teóricamente, el cátodo puede fabricarse con materiales sin litio, y se espera que la densidad energética y el espacio de reducción de costes mejoren considerablemente. Se espera que la densidad energética volumétrica supere los 100 Wh/L.
Seguridad
Las baterías líquidas tienen dificultades para resolver el problema de la seguridad, mientras que las baterías de estado sólido evitan fundamentalmente la aparición de problemas.
El electrolito es el principal causante de los accidentes de seguridad de las baterías de iones de litio líquido. El desbordamiento térmico de las baterías de litio se debe principalmente al cortocircuito interno o a la alta temperatura de funcionamiento, que provoca el aumento inicial de la temperatura y causa la descomposición de la película SEI. Al mismo tiempo, el aumento continuo de la temperatura del electrolito libera una variedad de gases combustibles y oxígeno, y luego se quema.
En la actualidad, la industria de las baterías de litio se basa principalmente en la mitigación del desbordamiento térmico para hacer frente a los accidentes de seguridad, como la adición de retardantes de llama o gases inertes en las celdas de la batería, y la adición de diseño antipunzonamiento o barreras térmicas en la superficie del pack. Sin embargo, el electrolito de alto riesgo sigue siendo la esencia que causa los problemas de seguridad de la LIB, y como es un material necesario de la LIB, el problema de seguridad no puede resolverse en teoría.
Mientras tanto, la temperatura inicial de runaway de los electrolitos sólidos supera la de los electrolitos líquidos (120°C), y los electrolitos sólidos de óxido son los más seguros, con temperaturas de runaway térmico superiores a 600°C, lo que teóricamente elimina problemas de seguridad como la combustión de las baterías.
Optimización del proceso
El espacio para la optimización del proceso de las baterías líquidas es mucho menor que el de las baterías de estado sólido.
En la actualidad, el proceso de fabricación de telecomunicaciones de baterías líquidas incluye principalmente la preparación de electrodos (método húmedo principalmente)→enrollado→embalaje→inyección de líquido→formación química→clasificación→montaje. Mientras que las tecnologías de mezcla de lodos de alta velocidad, revestimiento y bobinado/apilado y la tecnología de baterías de gran capacidad promueven la expansión continua de la capacidad de producción de una sola línea.
Sin embargo, debido a la baja eficiencia del recubrimiento y el secado, y a la necesidad de detener el alambre e insertar la pieza del polo en el proceso de bobinado en el proceso de preparación del electrodo húmedo, incluso la tecnología 4680 mejorada de Tesla sigue implicando complicados procesos de soldadura láser, por lo que sigue existiendo un gran cuello de botella en la mejora de la eficiencia de la fabricación de baterías.
Además, el proceso tradicional de ensamblaje de una MC como célula-módulo-batería-cuerpo utiliza un gran número de componentes y añade masa total, además de implicar complejas conexiones y sistemas de gestión de la batería.
Las baterías de estado sólido pueden utilizar la tecnología de electrodo seco, que es una tecnología de producción sin disolventes. El método consiste en mezclar materiales de cátodo y ánodo con aglutinante y, a continuación, formar directamente un electrodo en forma de lámina o película fina mediante calandrado, pulverización, extrusión o deposición de vapor.
En comparación con la preparación de electrodos en húmedo, las ventajas de la tecnología en seco se reflejan principalmente a continuación:
① Omite los pasos de mezcla de lechada, secado y recuperación de disolventes nocivos, lo que ahorra costes de producción como materiales, tiempo, talleres y mano de obra.
② En términos de rendimiento, el electrodo es más grueso y la densidad energética es mayor.
③ Más respetuoso con el medio ambiente sin disolventes tóxicos.
Además, en el proceso de ensamblaje, la propia célula de batería de estado sólido con estructura bipolar multicapa puede considerarse un proceso de empaquetado. El empaquetado denso conectado en serie puede mejorar en gran medida la tasa de utilización del espacio, lograr una menor resistencia interna, una mayor densidad de energía y una mayor salida de corriente. En el proceso de empaquetado posterior, no hay necesidad de una conexión compleja, lo que supone un gran espacio para mejorar la eficiencia y reducir el coste tras la producción en masa.
La optimización de la batería de estado sólido
La optimización de la batería de estado sólido puede iniciarse desde los tres aspectos siguientes.
Electrolito
En la actualidad, existen tres vías principales para la selección de materiales electrolíticos para baterías de estado sólido: polímeros, óxidos y sulfuros. Los tres sistemas técnicos son diferentes y cada uno tiene sus propias ventajas e inconvenientes.
– Polímero: La ventaja del polímero como electrolito es que es fácil de procesar, compatible con los equipos y procesos de producción existentes de electrolito líquido, y tiene buenas propiedades mecánicas. Sin embargo, su conductividad es demasiado baja, y es necesario calentarlo a 60°C para que funcione con normalidad, y no puede adaptarse a los materiales catódicos de alta tensión.
– Sulfuro: El sulfuro es justo lo contrario del polímero: tiene la conductividad más alta y una gran estabilidad electroquímica, lo que lo convierte en la ruta técnica más potencial. Pero el proceso de preparación de sulfuro es muy complejo, y fácil de reaccionar con el agua y el oxígeno en el aire para producir sulfuro de hidrógeno gas altamente tóxico.
– Óxido: El óxido tiene las ventajas de los dos anteriores. Tiene una conductividad, estabilidad y rendimiento electroquímico relativamente buenos, lo que la convierte en la tecnología que más rápido avanza en la actualidad. Debido a su coste de desarrollo relativamente bajo y a su dificultad, los fabricantes chinos se están centrando en los electrolitos sólidos de óxido, y se espera que aumente su escala en las baterías de estado semisólido.
Desde una perspectiva a largo plazo, aunque la investigación y el desarrollo de electrolitos sólidos de sulfuro es difícil, debido a su excelente rendimiento y gran potencial, atrae a empresas de baterías potentes y bien capitalizadas para invertir continuamente en investigación y desarrollo. Muchos líderes de la industria con más de diez años de acumulación tecnológica lo eligen como principal vía tecnológica, una vez logrado un gran avance, es muy probable que se formen altas barreras técnicas.
Material del electrodo
Las baterías de estado sólido podrían seguir con el sistema de ánodos existente, pero no serviría de mucho para mejorar la densidad energética. Si se quiere aumentar mucho la capacidad, hay que aplicar el ánodo de metal de litio de forma más eficiente.
El ánodo de metal de litio tiene la ventaja de su alta densidad energética, que está directamente relacionada con la capacidad de la batería. Por lo tanto, podemos decir que la empresa que domine la tecnología de aplicación del ánodo de metal de litio podrá obtener la doble ventaja del rendimiento y el coste del producto, y ocupar las alturas estratégicas del mercado.
Sin embargo, en la actualidad, el ánodo de metal de litio necesita resolver el problema de la estabilidad, y existe un gran potencial para reducir el coste de la producción en masa de ánodos de metal de litio.
Batería de estado semisólido
Las baterías totalmente de estado sólido aún tienen dificultades técnicas que superar. Por ejemplo, la conductividad iónica de los electrolitos en estado sólido es mucho menor que la de los electrolitos líquidos, lo que provoca un aumento significativo de la resistencia interna de la batería, un rendimiento deficiente del ciclo de la batería y un rendimiento deficiente de la tasa.
Por otro lado, el elevado coste también es un factor que limita la comercialización de las baterías de estado sólido. En la actualidad, la cadena industrial de las baterías de litio líquido está muy madura, y se pueden producir baterías de litio con mejores prestaciones a bajo coste, mientras que la cadena industrial de las baterías totalmente de estado sólido aún no está lo suficientemente madura. En estos momentos, la batería semisólida es la mejor opción como solución intermedia.
El proceso de fabricación y los equipos de la pila de estado semisólido son muy similares a los de la pila de litio actual; sólo algunos eslabones clave del proceso, como el estado sólido in situ, la mezcla y la inyección de líquido, son diferentes de los de la pila líquida actual. Sin embargo, la batería de estado semisólido tiene muchas características, como alta densidad energética, tamaño reducido, mayor seguridad y mejor flexibilidad. Se ha convertido en la primera opción de la próxima ruta tecnológica de baterías para los fabricantes de automóviles.
Al mismo tiempo, la batería de estado semisólido también se considera una vía de transición hacia el estado completamente sólido. Al fin y al cabo, ninguna tecnología nueva se consigue de la noche a la mañana, sino que hay que investigarla y desarrollarla paso a paso.
Estado de desarrollo mundial de la batería de estado sólido
La transición gradual de las baterías líquidas a las de estado sólido es una tendencia importante en el progreso de la tecnología de las baterías de litio. A nivel mundial, las principales empresas automovilísticas, compañías de baterías, instituciones de inversión e instituciones de investigación científica están desplegando activamente capital, tecnología y talentos para acelerar la industrialización de las baterías de estado sólido.
Los principales fabricantes de automóviles y gobiernos de todo el mundo están entrando en la carrera de las baterías de estado sólido. Desde una perspectiva global, puede dividirse a grandes rasgos en tres bandos: China, Japón y Corea del Sur, Europa y Estados Unidos.
En cuanto a la dirección de la tecnología, Japón y Corea del Sur empezaron antes y eligieron la vía del electrolito de estado sólido de sulfuro. En la actualidad, las empresas japonesas y surcoreanas poseen el mayor número de patentes de baterías de estado sólido del mundo.
El gobierno surcoreano anunció el 20 de abril que invertirá conjuntamente 20 billones de KRW antes de 2030, liderado por el gobierno y sus principales empresas de baterías, para desarrollar tecnologías avanzadas de baterías, incluidas las baterías de estado sólido, y comenzar la producción comercial en 2025 , para mantener la fortaleza de Corea del Sur en el campo de las baterías de energía.
En Europa y Estados Unidos, se opta sobre todo por la ruta del electrolito sólido de óxido para el desarrollo de aplicaciones de ánodos de litio metálico. En China, se han trazado las tres rutas del electrolito de estado sólido. Al tiempo que desarrolla baterías totalmente de estado sólido, China también está desarrollando enérgicamente baterías de estado semisólido, más respetuosas con las industrias existentes.
Resumen
Como mejora de las baterías de litio tradicionales, las baterías de estado sólido obtienen mayor densidad energética, mejor seguridad, mayor espacio para la optimización de procesos y mayor flexibilidad al sustituir los electrolitos y los materiales de los electrodos, convirtiéndose en la forma ideal de las baterías de litio de próxima generación.
Hasta ahora, los tres electrolitos sólidos tienen sus propias ventajas e inconvenientes, y ninguno de ellos es tan bueno como en teoría. Además, la falta de producción a gran escala ha incrementado enormemente el coste de las baterías de estado sólido.
Pero con el paso del tiempo y los avances tecnológicos, podemos creer que las baterías de estado sólido se irán extendiendo poco a poco y sustituirán gradualmente a las tradicionales baterías de litio líquido en diversos campos.