Batería de estado sólido Toyota: nuevos avances e historia del desarrollo
En términos de producción en masa, coste y fabricación, la batería de estado sólido siempre se ha enfrentado a muchos retos. Quien supere los problemas de costes y producción en masa tomará la delantera para hacerse con el mercado. Según el Financial Times, la nueva Batería de estado sólido Toyota se fabricará en serie en 2027. Con la producción en serie de la batería de estado sólido de Toyota, todo el sector de los vehículos eléctricos podría iniciar una nueva ronda de innovación.
Índice
Nuevos avances de la batería de estado sólido de Toyota
Según un informe de Financial Associated Press, Toyota dijo el 4 de julio de 2023 que ha hecho un gran avance en batería de estado sólido tecnología. El peso, el volumen y el coste de la batería de estado sólido de Toyota se reducirán a la mitad, y la vida útil de la batería puede alcanzar los 1.200 kilómetros tras una carga de 10 minutos o menos. Y el proceso de producción de la batería se ha simplificado enormemente, reduciendo el coste de la tecnología de nueva generación.
Toyota, el segundo mayor fabricante de automóviles del mundo, ya tiene en marcha un plan para lanzar vehículos eléctricos con la avanzada batería de estado sólido de Toyota en 2025.
Kaida Keiji, presidente del Centro de I+D de Carbono Neutral de Toyota, ha declarado: "Tanto si se trata de una batería líquida como de una de estado sólido, nuestro objetivo es cambiar por completo la situación actual, en la que las baterías son demasiado grandes, pesadas y caras. En términos de potencial en este sentido, nos esforzaremos por reducir a la mitad estos factores".
Kaida señala que la empresa ha desarrollado formas de mejorar la durabilidad de las baterías y cree que ahora puede crear baterías de estado sólido con una autonomía de 1.200 kilómetros y un tiempo de carga de 10 minutos o menos. David Bailey, catedrático de Economía de la Empresa de la Universidad de Birmingham, cree que si las afirmaciones de Toyota son ciertas, éste podría ser un momento decisivo para el futuro de los vehículos eléctricos.
Historia del desarrollo de la batería de estado sólido de Toyota
Toyota es reconocido en la industria como uno de los fabricantes más potentes en el campo de las baterías de estado sólido. Toyota siempre se ha adherido a la ruta del sulfuro en el campo de las baterías totalmente de estado sólido, y ya cuenta con más de 1.000 patentes. Ya en agosto de 2020, los vehículos eléctricos Toyota equipados con baterías totalmente de estado sólido han obtenido licencias y han comenzado las pruebas de conducción.
A pesar de su gran fortaleza técnica, la investigación de Toyota en el campo de la batería de estado sólido no ha sido fluida, y el tiempo de producción en masa de la batería de estado sólido de Toyota se ha retrasado varias veces. En la actualidad, el plazo de producción en serie de la batería de estado sólido de Toyota se ha fijado en 2027-2028. Se puede ver que la investigación y el desarrollo y la producción en masa de baterías de estado sólido son difíciles, y también se ve la persistencia y la insistencia de Toyota en las baterías de estado sólido.
En 2025, la batería de estado sólido de Toyota alcanzará la producción en serie a pequeña escala y se aplicará por primera vez en modelos híbridos. Para 2030, la batería de estado sólido de Toyota debería alcanzar una producción continua y estable.
"Durante el proceso de desarrollo, aprendimos que los iones de la batería de estado totalmente sólido se moverán a gran velocidad en la batería para conseguir una gran potencia de salida, y esperamos que esta característica pueda utilizarse en vehículos híbridos para aprovechar las ventajas de las baterías de estado totalmente sólido", afirma Toyota.
En 2021, Toyota Motor anunció que, de aquí a 2030, tiene previsto invertir 1,5 billones de yenes en el desarrollo de baterías eléctricas y en su cadena de suministro de baterías, con vistas a liderar las tecnologías clave de automoción en la próxima década y mantener una competitividad duradera en el precio de los vehículos eléctricos e híbridos.
El Ministerio de Economía, Comercio e Industria de Japón anunció el 16 de junio que subvencionará la inversión en baterías prevista por Toyota.
Una de las subvenciones es la batería de litio hierro fosfato (LFP), aunque también desarrollará enérgicamente la batería totalmente de estado sólido, que se considera una firme candidata para la próxima generación de baterías, pero Toyota cree que la batería de litio hierro fosfato que puede producirse a bajo coste es la clave de la estrategia eléctrica, por lo que planea acelerar su desarrollo.
Se prevé que el importe total de los negocios relacionados con los vehículos eléctricos de Toyota que recibirán subvenciones ascienda a unos 330.000 millones de yenes, de los cuales 117.800 millones procederán de las subvenciones del Ministerio de Economía, Comercio e Industria japonés.
Toyota aumentará su capacidad de producción anual en 25kwh reforzando las líneas de producción de baterías para vehículos eléctricos, incluida la planta de Himeji de Prime Planet Energy&Solutions (PPES), una empresa de baterías cofinanciada con Panasonic Holdings.
Ventajas de la batería de estado sólido
En ánodo de batería de iones de litio, el cátodo y el electrolito (electrolito y diafragma), son los tres componentes importantes de las baterías líquidas de iones de litio. Las baterías de estado sólido, como su nombre indica, sustituyen el electrolito líquido por un sólido. El materiales para baterías comúnmente utilizados son sulfuros, polímeros y óxidos, y el ánodo de la pila también puede sustituirse por metal de litio.
La mayor ventaja de este diseño es que puede aumentar la densidad energética de la batería. Como la densidad de los sólidos es mucho mayor que la de los líquidos, la densidad energética de las baterías de estado sólido es al menos el doble que la de las baterías líquidas de iones de litio. Por ejemplo, la densidad energética de la batería CATL Kirin es de 255 Wh/kg, y la batería de estado sólido puede alcanzar fácilmente los 500 Wh/kg.
Al mismo tiempo, dado que el litio metálico de la batería de estado sólido puede utilizarse directamente como ánodo, no sólo es mejor que el electrodo negativo de grafito tradicional, sino que además no necesita separador de baterías de litio y otras estructuras, es decir, puede hacer que la batería sea más ligera y delgada.
Además, la estabilidad de las baterías de estado sólido es mucho mayor que la de las baterías de litio líquido. Es fácil que en las baterías de litio líquido aparezcan dendritas de litio en su interior después de haber sido utilizadas durante mucho tiempo. Es como una aguja que crece lentamente fuera del cátodo y se hace cada vez más larga con el tiempo.
Cuando es lo suficientemente largo como para perforar el separador, la batería se cortocircuitará. Una vez que la batería se daña debido a fuerzas externas, es fácil perder el control de la temperatura bajo la influencia del cortocircuito y la alta temperatura, y eventualmente conducir a la batería de humo, fuego o incluso explosión.
Los electrolitos de las baterías de estado sólido son polímeros, óxidos, sulfuros, resistencia a altas temperaturas, resistencia a la corrosión, no es fácil de volatilizar, y básicamente no hay riesgo de combustión espontánea. Incluso si la fuerza externa realmente penetra y perfora, hay una alta probabilidad de que no se produzca una rápida combustión espontánea y explosión, lo que significa que la batería de estado sólido tiene más ventajas en la seguridad de la batería de iones de litio.
Dificultades de la producción en serie de pilas de estado sólido
Según el Informe de Investigación de Huatai Securities, se estima que el espacio del mercado mundial de baterías de estado sólido superará los 300.000 millones de RMB en 2030. Ante un mercado tan enorme, todos los países están planeando activamente aprovechar la oportunidad.
Hace treinta años, el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (Estados Unidos) afirmó haber creado una batería de estado sólido, pero por desgracia hasta ahora no ha podido lograr la producción en serie. En los dos últimos años, con la popularidad de los vehículos de nueva energía en el mundo, las empresas han informado repetidamente del progreso de la producción en masa de baterías de estado sólido. Detrás del candente mercado de las baterías de estado sólido, todavía hay muchas deficiencias que no se pueden ignorar.
La producción en masa de baterías de estado sólido se enfrenta a muchos retos, como problemas de materiales, de interfaz y de ingeniería. También es un obstáculo difícil para los fabricantes de baterías, porque el coste actual de las baterías semisólidas es muy superior al de las baterías líquidas comerciales.
Según investigaciones y cálculos de la industria, tomando como ejemplo las baterías líquidas NCM811 y las baterías semisólidas NCM811, el coste de las baterías semisólidas es unos 80% superior al de las baterías líquidas. Entre ellos, el coste del electrolito sólido es el principal nuevo coste y el principal coste en las baterías semisólidas, representando unos 50%.
Debido a factores como los cambios en los materiales del electrolito, los cambios en los procesos de producción y los largos ciclos de verificación de ingeniería causados por la insuficiente experiencia en el control de calidad del producto, las baterías de estado totalmente sólido costarán más que las de estado semisólido.
Para medir si una batería de potencia puede fabricarse en serie al final, existen principalmente cinco indicadores, a saber, densidad energética, rendimiento de la tasa de carga-descarga, coste, seguridad y vida útil del ciclo. Los resultados de la investigación en laboratorio de las baterías eléctricas suelen lograr un gran avance en uno o varios indicadores en una determinada fase, y la producción en serie sólo es posible si se cumplen al mismo tiempo los requisitos de los cinco indicadores.
Por tanto, el avance tecnológico de la batería de estado sólido de Toyota es de gran trascendencia para la industria del vehículo eléctrico.
Nuevos avances en la tecnología global de pilas de estado sólido
Aunque la tecnología de las pilas de estado sólido aún se enfrenta a muchos retos, sigue siendo el objetivo perseguido por la industria de las pilas de litio. Se entiende que las empresas japonesas son las que más han invertido en baterías de estado sólido en todo el mundo, incluida Toyota, que tiene el mayor número de patentes de tecnología de baterías de estado sólido.
La buena noticia es que, según los informes, el profesor Ma Cheng de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China ha desarrollado un nuevo tipo de electrolito de estado sólido. Su rendimiento global es similar al de los electrolitos de estado sólido de sulfuro y cloruro más avanzados, pero su coste es inferior al 4% de estos últimos. Es adecuado para aplicaciones industriales.
El rendimiento global del oxicloruro de litio y circonio es comparable al de los electrolitos de sulfuro y cloruro en estado sólido más avanzados.
Los experimentos han demostrado que la batería de litio de estado totalmente sólido compuesta por oxicloruro de litio y circonio y electrodo positivo ternario de alto contenido en níquel ha demostrado un excelente rendimiento: en condiciones de carga rápida durante 12 minutos, la batería sigue funcionando con éxito a temperatura ambiente durante más de 2.000 ciclos.
Según los investigadores, el oxicloruro de circonio y litio puede alcanzar un rendimiento similar al de los electrolitos de sulfuro y cloruro en estado sólido más avanzados al menor coste actual, lo que es de gran importancia para la industrialización de las baterías de litio totalmente en estado sólido.
Hailey
Hola, soy Hailey, Desde que me gradué con mi maestría en física, me he dedicado a la industria de baterías de litio y he trabajado con ingenieros de baterías de litio para completar varios proyectos de diseño y fabricación de baterías de litio. Sobre la base de los conocimientos electrónicos como ingeniero de baterías de litio durante más de 4 años, ahora soy el principal responsable de escribir contenido sobre la batería de litio y me gustaría compartir mis puntos de vista con usted.
Batería de estado sólido Toyota: nuevos avances e historia del desarrollo
Nuevos avances de la batería de estado sólido de Toyota
Según un informe de Financial Associated Press, Toyota dijo el 4 de julio de 2023 que ha hecho un gran avance en batería de estado sólido tecnología. El peso, el volumen y el coste de la batería de estado sólido de Toyota se reducirán a la mitad, y la vida útil de la batería puede alcanzar los 1.200 kilómetros tras una carga de 10 minutos o menos. Y el proceso de producción de la batería se ha simplificado enormemente, reduciendo el coste de la tecnología de nueva generación.
Toyota, el segundo mayor fabricante de automóviles del mundo, ya tiene en marcha un plan para lanzar vehículos eléctricos con la avanzada batería de estado sólido de Toyota en 2025.
Kaida Keiji, presidente del Centro de I+D de Carbono Neutral de Toyota, ha declarado: "Tanto si se trata de una batería líquida como de una de estado sólido, nuestro objetivo es cambiar por completo la situación actual, en la que las baterías son demasiado grandes, pesadas y caras. En términos de potencial en este sentido, nos esforzaremos por reducir a la mitad estos factores".
Kaida señala que la empresa ha desarrollado formas de mejorar la durabilidad de las baterías y cree que ahora puede crear baterías de estado sólido con una autonomía de 1.200 kilómetros y un tiempo de carga de 10 minutos o menos. David Bailey, catedrático de Economía de la Empresa de la Universidad de Birmingham, cree que si las afirmaciones de Toyota son ciertas, éste podría ser un momento decisivo para el futuro de los vehículos eléctricos.
Historia del desarrollo de la batería de estado sólido de Toyota
Toyota es reconocido en la industria como uno de los fabricantes más potentes en el campo de las baterías de estado sólido. Toyota siempre se ha adherido a la ruta del sulfuro en el campo de las baterías totalmente de estado sólido, y ya cuenta con más de 1.000 patentes. Ya en agosto de 2020, los vehículos eléctricos Toyota equipados con baterías totalmente de estado sólido han obtenido licencias y han comenzado las pruebas de conducción.
A pesar de su gran fortaleza técnica, la investigación de Toyota en el campo de la batería de estado sólido no ha sido fluida, y el tiempo de producción en masa de la batería de estado sólido de Toyota se ha retrasado varias veces. En la actualidad, el plazo de producción en serie de la batería de estado sólido de Toyota se ha fijado en 2027-2028. Se puede ver que la investigación y el desarrollo y la producción en masa de baterías de estado sólido son difíciles, y también se ve la persistencia y la insistencia de Toyota en las baterías de estado sólido.
En 2025, la batería de estado sólido de Toyota alcanzará la producción en serie a pequeña escala y se aplicará por primera vez en modelos híbridos. Para 2030, la batería de estado sólido de Toyota debería alcanzar una producción continua y estable.
"Durante el proceso de desarrollo, aprendimos que los iones de la batería de estado totalmente sólido se moverán a gran velocidad en la batería para conseguir una gran potencia de salida, y esperamos que esta característica pueda utilizarse en vehículos híbridos para aprovechar las ventajas de las baterías de estado totalmente sólido", afirma Toyota.
En 2021, Toyota Motor anunció que, de aquí a 2030, tiene previsto invertir 1,5 billones de yenes en el desarrollo de baterías eléctricas y en su cadena de suministro de baterías, con vistas a liderar las tecnologías clave de automoción en la próxima década y mantener una competitividad duradera en el precio de los vehículos eléctricos e híbridos.
El Ministerio de Economía, Comercio e Industria de Japón anunció el 16 de junio que subvencionará la inversión en baterías prevista por Toyota.
Una de las subvenciones es la batería de litio hierro fosfato (LFP), aunque también desarrollará enérgicamente la batería totalmente de estado sólido, que se considera una firme candidata para la próxima generación de baterías, pero Toyota cree que la batería de litio hierro fosfato que puede producirse a bajo coste es la clave de la estrategia eléctrica, por lo que planea acelerar su desarrollo.
Se prevé que el importe total de los negocios relacionados con los vehículos eléctricos de Toyota que recibirán subvenciones ascienda a unos 330.000 millones de yenes, de los cuales 117.800 millones procederán de las subvenciones del Ministerio de Economía, Comercio e Industria japonés.
Toyota aumentará su capacidad de producción anual en 25kwh reforzando las líneas de producción de baterías para vehículos eléctricos, incluida la planta de Himeji de Prime Planet Energy&Solutions (PPES), una empresa de baterías cofinanciada con Panasonic Holdings.
Ventajas de la batería de estado sólido
En ánodo de batería de iones de litio, el cátodo y el electrolito (electrolito y diafragma), son los tres componentes importantes de las baterías líquidas de iones de litio. Las baterías de estado sólido, como su nombre indica, sustituyen el electrolito líquido por un sólido. El materiales para baterías comúnmente utilizados son sulfuros, polímeros y óxidos, y el ánodo de la pila también puede sustituirse por metal de litio.
La mayor ventaja de este diseño es que puede aumentar la densidad energética de la batería. Como la densidad de los sólidos es mucho mayor que la de los líquidos, la densidad energética de las baterías de estado sólido es al menos el doble que la de las baterías líquidas de iones de litio. Por ejemplo, la densidad energética de la batería CATL Kirin es de 255 Wh/kg, y la batería de estado sólido puede alcanzar fácilmente los 500 Wh/kg.
Al mismo tiempo, dado que el litio metálico de la batería de estado sólido puede utilizarse directamente como ánodo, no sólo es mejor que el electrodo negativo de grafito tradicional, sino que además no necesita separador de baterías de litio y otras estructuras, es decir, puede hacer que la batería sea más ligera y delgada.
Además, la estabilidad de las baterías de estado sólido es mucho mayor que la de las baterías de litio líquido. Es fácil que en las baterías de litio líquido aparezcan dendritas de litio en su interior después de haber sido utilizadas durante mucho tiempo. Es como una aguja que crece lentamente fuera del cátodo y se hace cada vez más larga con el tiempo.
Cuando es lo suficientemente largo como para perforar el separador, la batería se cortocircuitará. Una vez que la batería se daña debido a fuerzas externas, es fácil perder el control de la temperatura bajo la influencia del cortocircuito y la alta temperatura, y eventualmente conducir a la batería de humo, fuego o incluso explosión.
Los electrolitos de las baterías de estado sólido son polímeros, óxidos, sulfuros, resistencia a altas temperaturas, resistencia a la corrosión, no es fácil de volatilizar, y básicamente no hay riesgo de combustión espontánea. Incluso si la fuerza externa realmente penetra y perfora, hay una alta probabilidad de que no se produzca una rápida combustión espontánea y explosión, lo que significa que la batería de estado sólido tiene más ventajas en la seguridad de la batería de iones de litio.
Dificultades de la producción en serie de pilas de estado sólido
Según el Informe de Investigación de Huatai Securities, se estima que el espacio del mercado mundial de baterías de estado sólido superará los 300.000 millones de RMB en 2030. Ante un mercado tan enorme, todos los países están planeando activamente aprovechar la oportunidad.
Hace treinta años, el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (Estados Unidos) afirmó haber creado una batería de estado sólido, pero por desgracia hasta ahora no ha podido lograr la producción en serie. En los dos últimos años, con la popularidad de los vehículos de nueva energía en el mundo, las empresas han informado repetidamente del progreso de la producción en masa de baterías de estado sólido. Detrás del candente mercado de las baterías de estado sólido, todavía hay muchas deficiencias que no se pueden ignorar.
La producción en masa de baterías de estado sólido se enfrenta a muchos retos, como problemas de materiales, de interfaz y de ingeniería. También es un obstáculo difícil para los fabricantes de baterías, porque el coste actual de las baterías semisólidas es muy superior al de las baterías líquidas comerciales.
Según investigaciones y cálculos de la industria, tomando como ejemplo las baterías líquidas NCM811 y las baterías semisólidas NCM811, el coste de las baterías semisólidas es unos 80% superior al de las baterías líquidas. Entre ellos, el coste del electrolito sólido es el principal nuevo coste y el principal coste en las baterías semisólidas, representando unos 50%.
Debido a factores como los cambios en los materiales del electrolito, los cambios en los procesos de producción y los largos ciclos de verificación de ingeniería causados por la insuficiente experiencia en el control de calidad del producto, las baterías de estado totalmente sólido costarán más que las de estado semisólido.
Para medir si una batería de potencia puede fabricarse en serie al final, existen principalmente cinco indicadores, a saber, densidad energética, rendimiento de la tasa de carga-descarga, coste, seguridad y vida útil del ciclo. Los resultados de la investigación en laboratorio de las baterías eléctricas suelen lograr un gran avance en uno o varios indicadores en una determinada fase, y la producción en serie sólo es posible si se cumplen al mismo tiempo los requisitos de los cinco indicadores.
Por tanto, el avance tecnológico de la batería de estado sólido de Toyota es de gran trascendencia para la industria del vehículo eléctrico.
Nuevos avances en la tecnología global de pilas de estado sólido
Aunque la tecnología de las pilas de estado sólido aún se enfrenta a muchos retos, sigue siendo el objetivo perseguido por la industria de las pilas de litio. Se entiende que las empresas japonesas son las que más han invertido en baterías de estado sólido en todo el mundo, incluida Toyota, que tiene el mayor número de patentes de tecnología de baterías de estado sólido.
La buena noticia es que, según los informes, el profesor Ma Cheng de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China ha desarrollado un nuevo tipo de electrolito de estado sólido. Su rendimiento global es similar al de los electrolitos de estado sólido de sulfuro y cloruro más avanzados, pero su coste es inferior al 4% de estos últimos. Es adecuado para aplicaciones industriales.
El rendimiento global del oxicloruro de litio y circonio es comparable al de los electrolitos de sulfuro y cloruro en estado sólido más avanzados.
Los experimentos han demostrado que la batería de litio de estado totalmente sólido compuesta por oxicloruro de litio y circonio y electrodo positivo ternario de alto contenido en níquel ha demostrado un excelente rendimiento: en condiciones de carga rápida durante 12 minutos, la batería sigue funcionando con éxito a temperatura ambiente durante más de 2.000 ciclos.
Según los investigadores, el oxicloruro de circonio y litio puede alcanzar un rendimiento similar al de los electrolitos de sulfuro y cloruro en estado sólido más avanzados al menor coste actual, lo que es de gran importancia para la industrialización de las baterías de litio totalmente en estado sólido.