Bateria de iões de lítio de estado sólido - introdução e futuro
Índice
Hoje em dia, os veículos eléctricos tornaram-se gradualmente a corrente principal do mercado automóvel. Para além de prestarem atenção à inteligência do produto, à gama de quilometragem e às capacidades técnicas, os consumidores de automóveis estão mais preocupados com a bateria dos veículos eléctricos. Afinal de contas, a bateria é o coração dos veículos eléctricos. Por isso, os principais fabricantes estão a investir muito na investigação e desenvolvimento de baterias, especialmente na tecnologia de baterias de iões de lítio de estado sólido.
Situação do mercado das baterias de iões de lítio de estado sólido
Nos últimos três anos, com a expansão da procura no mercado dos veículos eléctricos, a energia indústria das pilhas de lítiotem sido dominado pelas empresas mineiras de lítio a montante. E o preço do minério de lítio subiu acentuadamente de menos de 40 000 RMB/tonelada em 2020 para o valor mais elevado de 570 000 RMB/tonelada, tornando-se o "petróleo branco" na era da nova energia.
No início deste ano, a capacidade de produção da extração mineira de lítio, nomeadamente na Austrália, acelerou, e a indústria de reciclagem de materiais para baterias abriu novas oportunidades devido ao aumento dos preços, tendo os recursos reciclados substituído em grande medida a procura original de recursos.
Ao mesmo tempo, após o aumento da procura de veículos eléctricos, a procura a jusante diminuiu em certa medida. Sob o duplo golpe da procura e da oferta, o minério de lítio também sofreu um duro golpe, e o seu preço caiu para 150 000 RMB/tonelada em apenas três meses.
Ao mesmo tempo que o preço do minério de lítio desce, a economia da bateria de iões de lítio volta a ganhar destaque. As baterias de iões de lítio de estado sólido, que foram subestimadas nos últimos dois anos, voltaram a ser reconhecidas pelas pessoas com os benefícios duplos do mercado e da tecnologia.
O que é uma bateria de iões de lítio de estado sólido?
Se as baterias de iões de lítio forem classificadas de acordo com a forma do eletrólito, podem ser divididas em baterias líquidas e baterias de estado sólido de acordo com a quantidade de líquido que contêm, e as baterias de estado sólido podem ser divididas em três tipos: baterias semi-sólidas, baterias de estado quase sólido e baterias de estado totalmente sólido.
O eletrólito na bateria líquida é composto por líquido, enquanto a percentagem de massa de eletrólito da bateria de estado semi-sólido é <10%, a percentagem de massa de eletrólito da bateria de estado quase-sólido é <5%, e toda a bateria de estado sólido não contém qualquer eletrólito líquido.
Diferenças entre a pilha de estado sólido e a pilha líquida
A pilha de estado sólido e a pilha líquida são diferentes nos três aspectos seguintes.
Densidade energética
As baterias líquidas estão prestes a atingir o ponto de estrangulamento da densidade energética, enquanto as baterias de estado sólido têm um limite superior mais elevado. De acordo com os dados estatísticos, a densidade energética das baterias de iões de lítio aumentou três vezes entre 1991 e 2015, e o GAGR foi de cerca de 3%. De acordo com cálculos lineares, a densidade energética em 2020 e 2025 só pode atingir 300Wh/kg e 320Wh/kg.
No entanto, de um ponto de vista técnico prático, devido à atividade extremamente forte e à fraca estabilidade do ânodo de lítio metálico, é extremamente difícil ser compatível com o eletrólito líquido. Assim, as vantagens do seu potencial eletroquímico mais baixo e da sua capacitância extremamente elevada não podem ser aproveitadas, o que limita diretamente o desenvolvimento da densidade energética de toda a bateria
Além disso, é difícil para o eletrólito corresponder ao cátodo de alta tensão. A tensão do eletrólito principal atual não excede 4,5 V, o que restringe diretamente a gama opcional de materiais catódicos e limita assim o desenvolvimento da densidade energética.
Por outras palavras, a taxa de crescimento da densidade energética das baterias de iões de lítio abrandou significativamente e está a aproximar-se do limite teórico. Sem atualizar os materiais, é difícil fazer novos avanços.
Os electrólitos sólidos resolvem bem estes problemas. Em comparação com o eletrólito líquido, o eletrólito sólido tem um desempenho eletroquímico mais estável e pode ser compatível com um ânodo de lítio metálico altamente ativo. Ao mesmo tempo, o eletrólito sólido pode inibir a precipitação de dendritos de lítio, o que satisfaz as condições necessárias para a aplicação do ânodo de lítio metálico.
Ao mesmo tempo, alguns electrólitos de estado sólido têm uma gama de tensão maior, que pode ser adaptada a materiais de cátodo de alta tensão. Se for utilizado um ânodo de lítio metálico, teoricamente, o cátodo pode ser fabricado com materiais sem lítio, e espera-se que a densidade energética e o espaço de redução de custos sejam grandemente melhorados. Espera-se que a densidade de energia volumétrica exceda 100Wh/L.
Segurança
As baterias líquidas são difíceis de resolver o problema da segurança, enquanto as baterias de estado sólido evitam fundamentalmente a ocorrência de problemas.
O eletrólito é o maior responsável pelos acidentes de segurança das baterias de iões de lítio líquido. A fuga térmica das baterias de lítio deve-se principalmente ao curto-circuito interno ou à elevada temperatura de funcionamento, o que leva ao aumento inicial da temperatura e provoca a decomposição da película SEI. Ao mesmo tempo, a subida contínua da temperatura do eletrólito liberta uma variedade de gases combustíveis e oxigénio, que depois se queimam.
Atualmente, a indústria das baterias de lítio baseia-se principalmente na atenuação da fuga térmica para lidar com os acidentes de segurança, como a adição de retardadores de chama ou de gases inertes às células da bateria e a adição de um design anti-furo ou de barreiras térmicas na superfície da embalagem. No entanto, o eletrólito de alto risco continua a ser a essência que causa os problemas de segurança da LIB e, como é um material necessário da LIB, o problema de segurança não pode ser resolvido em teoria.
Entretanto, a temperatura inicial de fuga dos electrólitos sólidos excede a dos electrólitos líquidos (120°C), e os electrólitos sólidos de óxido são os mais seguros, com temperaturas de fuga térmica superiores a 600°C, eliminando teoricamente questões de segurança como a combustão da bateria.
Otimização do processo
O espaço para a otimização do processo das baterias líquidas é muito menor do que o das baterias de estado sólido.
Atualmente, o processo de fabrico de baterias líquidas no sector das telecomunicações inclui principalmente a preparação do elétrodo (principalmente o método húmido) → enrolamento → embalagem → injeção de líquido → formação química → triagem → montagem. Enquanto as tecnologias de mistura de lamas a alta velocidade, de revestimento e de enrolamento/empilhamento e a tecnologia de baterias de grande capacidade promovem a expansão contínua da capacidade de produção de linha única.
Processo de fabrico de uma bateria de estado sólido
No entanto, devido à baixa eficiência do revestimento e da secagem, e à necessidade de parar o fio e inserir a peça do pólo no processo de enrolamento no processo de preparação do elétrodo húmido, mesmo a tecnologia 4680 actualizada da Tesla continua a envolver processos complicados de soldadura a laser, pelo que continua a existir um grande estrangulamento na melhoria da eficiência do fabrico de baterias.
Além disso, o processo tradicional de montagem de uma CTM como célula-módulo-bateria-corpo utiliza um grande número de componentes e aumenta a massa total, para além de envolver ligações complexas e sistemas de gestão da bateria.
As baterias de estado sólido podem utilizar a tecnologia de eléctrodos secos, que é uma tecnologia de produção sem solventes. O método consiste em misturar materiais catódicos e anódicos com aglutinante e, em seguida, formar diretamente um elétrodo em forma de folha ou de película fina através de calandragem, pulverização, extrusão ou deposição de vapor.
Em comparação com a preparação de eléctrodos húmidos, as vantagens da tecnologia seca reflectem-se principalmente nos seguintes aspectos ① Salta as etapas de mistura de lamas, secagem e recuperação de solventes nocivos, o que poupa os custos de produção, tais como materiais, tempo, oficinas e mão de obra. ② Em termos de desempenho, o elétrodo é mais espesso e a densidade energética é mais elevada. ③ Mais amigo do ambiente, sem solventes tóxicos.
Além disso, no processo de montagem, a própria célula de bateria de estado sólido com estrutura bipolar multicamada pode ser considerada como um processo de embalagem. O empacotamento denso ligado em série pode melhorar significativamente a taxa de utilização do espaço, alcançar uma menor resistência interna, maior densidade de energia e saída de corrente. No processo de embalagem subsequente, não há necessidade de uma ligação complexa, o que significa um grande espaço para melhorar a eficiência e reduzir os custos após a produção em massa.
A otimização da bateria de estado sólido
A otimização da bateria de estado sólido pode ser iniciada a partir dos três aspectos seguintes.
Eletrólito
Atualmente, existem três vias principais para a seleção de materiais electrolíticos para baterias de estado sólido, incluindo polímeros, óxidos e sulfuretos. Os três sistemas técnicos são diferentes e cada um tem as suas próprias vantagens e desvantagens.
– Polímero: A vantagem do polímero como eletrólito é que é fácil de processar, compatível com o equipamento de produção existente e o processo de eletrólito líquido, e tem boas propriedades mecânicas. No entanto, a sua condutividade é demasiado baixa e necessita de ser aquecido a 60°C para funcionar normalmente, não podendo ser adaptado a materiais catódicos de alta tensão.
– Sulfureto: O sulfureto é exatamente o oposto do polímero, tem a condutividade mais elevada e uma grande estabilidade eletroquímica, o que o torna a via técnica mais potencial. Mas o processo de preparação do sulfureto é muito complexo e fácil de reagir com água e oxigénio no ar para produzir sulfureto de hidrogénio, um gás altamente tóxico.
– Óxido: O óxido tem as vantagens dos dois anteriores. Tem uma condutividade, estabilidade e desempenho eletroquímico relativamente bons, o que faz com que seja a tecnologia mais rápida neste momento. Devido ao seu custo e dificuldade de desenvolvimento relativamente baixos, os fabricantes chineses estão a concentrar-se nos electrólitos sólidos de óxido, prevendo-se o seu aumento nas baterias de estado semi-sólido.
Numa perspetiva de longo prazo, embora a investigação e desenvolvimento de electrólitos sólidos de sulfureto seja difícil, devido ao seu excelente desempenho e grande potencial, atrai empresas de baterias poderosas e bem capitalizadas para investir continuamente em investigação e desenvolvimento. Muitos líderes da indústria com mais de dez anos de acumulação tecnológica escolhem-na como a principal via tecnológica, uma vez alcançado um avanço, é muito provável que se formem barreiras técnicas elevadas.
Material do elétrodo
As baterias de estado sólido poderiam manter o sistema de ânodo existente, mas isso pouco contribuiria para melhorar a densidade energética. Se quisermos aumentar significativamente a capacidade, temos de aplicar o ânodo de lítio metálico de forma mais eficiente.
O ânodo de lítio metálico tem a vantagem de possuir uma elevada densidade energética, que está diretamente relacionada com a capacidade da bateria. Por conseguinte, podemos dizer que a empresa que dominar a tecnologia de aplicação do ânodo de lítio metálico poderá obter as vantagens duplas do desempenho e do custo do produto e ocupar os lugares estratégicos do mercado.
No entanto, atualmente, o ânodo de lítio metálico precisa de resolver o problema da estabilidade, e existe um grande potencial para reduzir o custo da produção em massa de ânodo de lítio metálico.
Bateria de estado semi-sólido
As baterias de estado sólido ainda têm dificuldades técnicas a ultrapassar. Por exemplo, a condutividade iónica dos electrólitos de estado sólido é muito inferior à dos electrólitos líquidos, o que conduz a um aumento significativo da resistência interna da bateria, a um fraco desempenho do ciclo da bateria e a um fraco desempenho da taxa. Por outro lado, o custo elevado é também um fator que limita a comercialização das baterias de estado sólido. Atualmente, a cadeia industrial das baterias de lítio líquido está muito madura e as baterias de lítio com melhor desempenho podem ser produzidas a baixo custo, enquanto a cadeia industrial das baterias de estado sólido ainda não está suficientemente madura. Neste momento, a bateria semi-sólida é a melhor escolha como compromisso.
O processo de fabrico e o equipamento da pilha de estado semi-sólido são muito semelhantes aos da atual pilha de lítio, mas apenas algumas ligações fundamentais do processo, como o estado sólido in situ, a mistura e a injeção de líquido, são diferentes da atual pilha líquida. No entanto, a bateria de estado semi-sólido tem muitas características, como alta densidade de energia, tamanho pequeno, maior segurança e melhor flexibilidade. Tornou-se a primeira escolha da próxima via tecnológica de baterias para os fabricantes de automóveis.
Ao mesmo tempo, a bateria de estado semi-sólido também é vista como uma via de transição para o estado totalmente sólido. Afinal de contas, nenhuma nova tecnologia pode ser alcançada de um dia para o outro, todas elas precisam de ser investigadas e desenvolvidas passo a passo.
Estado de desenvolvimento global da bateria de estado sólido
A transição gradual das baterias líquidas para as baterias de estado sólido é uma tendência importante no progresso da tecnologia das baterias de lítio. A nível mundial, as principais empresas de automóveis, empresas de baterias, instituições de investimento e instituições de investigação científica estão a utilizar ativamente capital, tecnologia e talentos para acelerar a industrialização de baterias de estado sólido.
Os principais fabricantes de automóveis e os governos de todo o mundo estão a entrar na corrida às baterias de estado sólido. Numa perspetiva global, a corrida pode ser dividida em três campos: China, Japão e Coreia do Sul, Europa e Estados Unidos.
Em termos de orientação tecnológica, o Japão e a Coreia do Sul começaram mais cedo e escolheram a via do eletrólito de estado sólido de sulfureto. Atualmente, as empresas japonesas e sul-coreanas detêm o maior número de patentes de baterias de estado sólido do mundo.
O governo sul-coreano anunciou, em 20 de abril, que irá investir conjuntamente 20 biliões de KRW até 2030, liderado pelo governo e pelas principais empresas de baterias, para desenvolver tecnologias avançadas de baterias, incluindo baterias de estado sólido, e iniciar a produção comercial em 2025, para manter a força da Coreia do Sul no domínio das baterias eléctricas.
Na Europa e nos Estados Unidos, a via do eletrólito sólido de óxido é a mais escolhida para o desenvolvimento de aplicações de ânodos de lítio metálico. Na China, foram estabelecidas as três vias do eletrólito de estado sólido. Ao mesmo tempo que desenvolve baterias totalmente em estado sólido, a China está também a desenvolver vigorosamente baterias em estado semi-sólido que são mais favoráveis às indústrias existentes.
Resumo
Como uma atualização das baterias de lítio tradicionais, as baterias de estado sólido obtêm maior densidade energética, melhor segurança, maior espaço para otimização de processos e maior flexibilidade através da substituição de electrólitos e materiais de eléctrodos, tornando-se a forma ideal de baterias de lítio da próxima geração.
Até agora, os três electrólitos sólidos têm as suas próprias vantagens e desvantagens, e nenhum deles é tão bom como na teoria. Além disso, a falta de produção em grande escala aumentou consideravelmente o custo das baterias de estado sólido.
Mas com o passar do tempo e os avanços tecnológicos, podemos acreditar que as baterias de estado sólido se irão espalhar gradualmente e substituir gradualmente as tradicionais baterias de lítio líquido em vários campos.
Bateria de iões de lítio de estado sólido - introdução e futuro
Hoje em dia, os veículos eléctricos tornaram-se gradualmente a corrente principal do mercado automóvel. Para além de prestarem atenção à inteligência do produto, à gama de quilometragem e às capacidades técnicas, os consumidores de automóveis estão mais preocupados com a bateria dos veículos eléctricos. Afinal de contas, a bateria é o coração dos veículos eléctricos. Por isso, os principais fabricantes estão a investir muito na investigação e desenvolvimento de baterias, especialmente na tecnologia de baterias de iões de lítio de estado sólido.
Situação do mercado das baterias de iões de lítio de estado sólido
Nos últimos três anos, com a expansão da procura no mercado dos veículos eléctricos, a energia indústria das pilhas de lítio tem sido dominado pelas empresas mineiras de lítio a montante. E o preço do minério de lítio subiu acentuadamente de menos de 40 000 RMB/tonelada em 2020 para o valor mais elevado de 570 000 RMB/tonelada, tornando-se o "petróleo branco" na era da nova energia.
No início deste ano, a capacidade de produção da extração mineira de lítio, nomeadamente na Austrália, acelerou, e a indústria de reciclagem de materiais para baterias abriu novas oportunidades devido ao aumento dos preços, tendo os recursos reciclados substituído em grande medida a procura original de recursos.
Ao mesmo tempo, após o aumento da procura de veículos eléctricos, a procura a jusante diminuiu em certa medida. Sob o duplo golpe da procura e da oferta, o minério de lítio também sofreu um duro golpe, e o seu preço caiu para 150 000 RMB/tonelada em apenas três meses.
Ao mesmo tempo que o preço do minério de lítio desce, a economia da bateria de iões de lítio volta a ganhar destaque. As baterias de iões de lítio de estado sólido, que foram subestimadas nos últimos dois anos, voltaram a ser reconhecidas pelas pessoas com os benefícios duplos do mercado e da tecnologia.
O que é uma bateria de iões de lítio de estado sólido?
Se as baterias de iões de lítio forem classificadas de acordo com a forma do eletrólito, podem ser divididas em baterias líquidas e baterias de estado sólido de acordo com a quantidade de líquido que contêm, e as baterias de estado sólido podem ser divididas em três tipos: baterias semi-sólidas, baterias de estado quase sólido e baterias de estado totalmente sólido.
O eletrólito na bateria líquida é composto por líquido, enquanto a percentagem de massa de eletrólito da bateria de estado semi-sólido é <10%, a percentagem de massa de eletrólito da bateria de estado quase-sólido é <5%, e toda a bateria de estado sólido não contém qualquer eletrólito líquido.
Diferenças entre a pilha de estado sólido e a pilha líquida
A pilha de estado sólido e a pilha líquida são diferentes nos três aspectos seguintes.
Densidade energética
As baterias líquidas estão prestes a atingir o ponto de estrangulamento da densidade energética, enquanto as baterias de estado sólido têm um limite superior mais elevado.
De acordo com os dados estatísticos, a densidade energética das baterias de iões de lítio aumentou três vezes entre 1991 e 2015, e o GAGR foi de cerca de 3%. De acordo com cálculos lineares, a densidade energética em 2020 e 2025 só pode atingir 300Wh/kg e 320Wh/kg.
No entanto, de um ponto de vista técnico prático, devido à atividade extremamente forte e à fraca estabilidade do ânodo de lítio metálico, é extremamente difícil ser compatível com o eletrólito líquido. Assim, as vantagens do seu potencial eletroquímico mais baixo e da sua capacitância extremamente elevada não podem ser aproveitadas, o que limita diretamente o desenvolvimento da densidade energética de toda a bateria
Além disso, é difícil para o eletrólito corresponder ao cátodo de alta tensão. A tensão do eletrólito principal atual não excede 4,5 V, o que restringe diretamente a gama opcional de materiais catódicos e limita assim o desenvolvimento da densidade energética.
Por outras palavras, a taxa de crescimento da densidade energética das baterias de iões de lítio abrandou significativamente e está a aproximar-se do limite teórico. Sem atualizar os materiais, é difícil fazer novos avanços.
Os electrólitos sólidos resolvem bem estes problemas. Em comparação com o eletrólito líquido, o eletrólito sólido tem um desempenho eletroquímico mais estável e pode ser compatível com um ânodo de lítio metálico altamente ativo. Ao mesmo tempo, o eletrólito sólido pode inibir a precipitação de dendritos de lítio, o que satisfaz as condições necessárias para a aplicação do ânodo de lítio metálico.
Ao mesmo tempo, alguns electrólitos de estado sólido têm uma gama de tensão maior, que pode ser adaptada a materiais de cátodo de alta tensão. Se for utilizado um ânodo de lítio metálico, teoricamente, o cátodo pode ser fabricado com materiais sem lítio, e espera-se que a densidade energética e o espaço de redução de custos sejam grandemente melhorados. Espera-se que a densidade de energia volumétrica exceda 100Wh/L.
Segurança
As baterias líquidas são difíceis de resolver o problema da segurança, enquanto as baterias de estado sólido evitam fundamentalmente a ocorrência de problemas.
O eletrólito é o maior responsável pelos acidentes de segurança das baterias de iões de lítio líquido. A fuga térmica das baterias de lítio deve-se principalmente ao curto-circuito interno ou à elevada temperatura de funcionamento, o que leva ao aumento inicial da temperatura e provoca a decomposição da película SEI. Ao mesmo tempo, a subida contínua da temperatura do eletrólito liberta uma variedade de gases combustíveis e oxigénio, que depois se queimam.
Atualmente, a indústria das baterias de lítio baseia-se principalmente na atenuação da fuga térmica para lidar com os acidentes de segurança, como a adição de retardadores de chama ou de gases inertes às células da bateria e a adição de um design anti-furo ou de barreiras térmicas na superfície da embalagem. No entanto, o eletrólito de alto risco continua a ser a essência que causa os problemas de segurança da LIB e, como é um material necessário da LIB, o problema de segurança não pode ser resolvido em teoria.
Entretanto, a temperatura inicial de fuga dos electrólitos sólidos excede a dos electrólitos líquidos (120°C), e os electrólitos sólidos de óxido são os mais seguros, com temperaturas de fuga térmica superiores a 600°C, eliminando teoricamente questões de segurança como a combustão da bateria.
Otimização do processo
O espaço para a otimização do processo das baterias líquidas é muito menor do que o das baterias de estado sólido.
Atualmente, o processo de fabrico de baterias líquidas no sector das telecomunicações inclui principalmente a preparação do elétrodo (principalmente o método húmido) → enrolamento → embalagem → injeção de líquido → formação química → triagem → montagem. Enquanto as tecnologias de mistura de lamas a alta velocidade, de revestimento e de enrolamento/empilhamento e a tecnologia de baterias de grande capacidade promovem a expansão contínua da capacidade de produção de linha única.
No entanto, devido à baixa eficiência do revestimento e da secagem, e à necessidade de parar o fio e inserir a peça do pólo no processo de enrolamento no processo de preparação do elétrodo húmido, mesmo a tecnologia 4680 actualizada da Tesla continua a envolver processos complicados de soldadura a laser, pelo que continua a existir um grande estrangulamento na melhoria da eficiência do fabrico de baterias.
Além disso, o processo tradicional de montagem de uma CTM como célula-módulo-bateria-corpo utiliza um grande número de componentes e aumenta a massa total, para além de envolver ligações complexas e sistemas de gestão da bateria.
As baterias de estado sólido podem utilizar a tecnologia de eléctrodos secos, que é uma tecnologia de produção sem solventes. O método consiste em misturar materiais catódicos e anódicos com aglutinante e, em seguida, formar diretamente um elétrodo em forma de folha ou de película fina através de calandragem, pulverização, extrusão ou deposição de vapor.
Em comparação com a preparação de eléctrodos húmidos, as vantagens da tecnologia seca reflectem-se principalmente nos seguintes aspectos
① Salta as etapas de mistura de lamas, secagem e recuperação de solventes nocivos, o que poupa os custos de produção, tais como materiais, tempo, oficinas e mão de obra.
② Em termos de desempenho, o elétrodo é mais espesso e a densidade energética é mais elevada.
③ Mais amigo do ambiente, sem solventes tóxicos.
Além disso, no processo de montagem, a própria célula de bateria de estado sólido com estrutura bipolar multicamada pode ser considerada como um processo de embalagem. O empacotamento denso ligado em série pode melhorar significativamente a taxa de utilização do espaço, alcançar uma menor resistência interna, maior densidade de energia e saída de corrente. No processo de embalagem subsequente, não há necessidade de uma ligação complexa, o que significa um grande espaço para melhorar a eficiência e reduzir os custos após a produção em massa.
A otimização da bateria de estado sólido
A otimização da bateria de estado sólido pode ser iniciada a partir dos três aspectos seguintes.
Eletrólito
Atualmente, existem três vias principais para a seleção de materiais electrolíticos para baterias de estado sólido, incluindo polímeros, óxidos e sulfuretos. Os três sistemas técnicos são diferentes e cada um tem as suas próprias vantagens e desvantagens.
– Polímero: A vantagem do polímero como eletrólito é que é fácil de processar, compatível com o equipamento de produção existente e o processo de eletrólito líquido, e tem boas propriedades mecânicas. No entanto, a sua condutividade é demasiado baixa e necessita de ser aquecido a 60°C para funcionar normalmente, não podendo ser adaptado a materiais catódicos de alta tensão.
– Sulfureto: O sulfureto é exatamente o oposto do polímero, tem a condutividade mais elevada e uma grande estabilidade eletroquímica, o que o torna a via técnica mais potencial. Mas o processo de preparação do sulfureto é muito complexo e fácil de reagir com água e oxigénio no ar para produzir sulfureto de hidrogénio, um gás altamente tóxico.
– Óxido: O óxido tem as vantagens dos dois anteriores. Tem uma condutividade, estabilidade e desempenho eletroquímico relativamente bons, o que faz com que seja a tecnologia mais rápida neste momento. Devido ao seu custo e dificuldade de desenvolvimento relativamente baixos, os fabricantes chineses estão a concentrar-se nos electrólitos sólidos de óxido, prevendo-se o seu aumento nas baterias de estado semi-sólido.
Numa perspetiva de longo prazo, embora a investigação e desenvolvimento de electrólitos sólidos de sulfureto seja difícil, devido ao seu excelente desempenho e grande potencial, atrai empresas de baterias poderosas e bem capitalizadas para investir continuamente em investigação e desenvolvimento. Muitos líderes da indústria com mais de dez anos de acumulação tecnológica escolhem-na como a principal via tecnológica, uma vez alcançado um avanço, é muito provável que se formem barreiras técnicas elevadas.
Material do elétrodo
As baterias de estado sólido poderiam manter o sistema de ânodo existente, mas isso pouco contribuiria para melhorar a densidade energética. Se quisermos aumentar significativamente a capacidade, temos de aplicar o ânodo de lítio metálico de forma mais eficiente.
O ânodo de lítio metálico tem a vantagem de possuir uma elevada densidade energética, que está diretamente relacionada com a capacidade da bateria. Por conseguinte, podemos dizer que a empresa que dominar a tecnologia de aplicação do ânodo de lítio metálico poderá obter as vantagens duplas do desempenho e do custo do produto e ocupar os lugares estratégicos do mercado.
No entanto, atualmente, o ânodo de lítio metálico precisa de resolver o problema da estabilidade, e existe um grande potencial para reduzir o custo da produção em massa de ânodo de lítio metálico.
Bateria de estado semi-sólido
As baterias de estado sólido ainda têm dificuldades técnicas a ultrapassar. Por exemplo, a condutividade iónica dos electrólitos de estado sólido é muito inferior à dos electrólitos líquidos, o que conduz a um aumento significativo da resistência interna da bateria, a um fraco desempenho do ciclo da bateria e a um fraco desempenho da taxa.
Por outro lado, o custo elevado é também um fator que limita a comercialização das baterias de estado sólido. Atualmente, a cadeia industrial das baterias de lítio líquido está muito madura e as baterias de lítio com melhor desempenho podem ser produzidas a baixo custo, enquanto a cadeia industrial das baterias de estado sólido ainda não está suficientemente madura. Neste momento, a bateria semi-sólida é a melhor escolha como compromisso.
O processo de fabrico e o equipamento da pilha de estado semi-sólido são muito semelhantes aos da atual pilha de lítio, mas apenas algumas ligações fundamentais do processo, como o estado sólido in situ, a mistura e a injeção de líquido, são diferentes da atual pilha líquida. No entanto, a bateria de estado semi-sólido tem muitas características, como alta densidade de energia, tamanho pequeno, maior segurança e melhor flexibilidade. Tornou-se a primeira escolha da próxima via tecnológica de baterias para os fabricantes de automóveis.
Ao mesmo tempo, a bateria de estado semi-sólido também é vista como uma via de transição para o estado totalmente sólido. Afinal de contas, nenhuma nova tecnologia pode ser alcançada de um dia para o outro, todas elas precisam de ser investigadas e desenvolvidas passo a passo.
Estado de desenvolvimento global da bateria de estado sólido
A transição gradual das baterias líquidas para as baterias de estado sólido é uma tendência importante no progresso da tecnologia das baterias de lítio. A nível mundial, as principais empresas de automóveis, empresas de baterias, instituições de investimento e instituições de investigação científica estão a utilizar ativamente capital, tecnologia e talentos para acelerar a industrialização de baterias de estado sólido.
Os principais fabricantes de automóveis e os governos de todo o mundo estão a entrar na corrida às baterias de estado sólido. Numa perspetiva global, a corrida pode ser dividida em três campos: China, Japão e Coreia do Sul, Europa e Estados Unidos.
Em termos de orientação tecnológica, o Japão e a Coreia do Sul começaram mais cedo e escolheram a via do eletrólito de estado sólido de sulfureto. Atualmente, as empresas japonesas e sul-coreanas detêm o maior número de patentes de baterias de estado sólido do mundo.
O governo sul-coreano anunciou, em 20 de abril, que irá investir conjuntamente 20 biliões de KRW até 2030, liderado pelo governo e pelas principais empresas de baterias, para desenvolver tecnologias avançadas de baterias, incluindo baterias de estado sólido, e iniciar a produção comercial em 2025, para manter a força da Coreia do Sul no domínio das baterias eléctricas.
Na Europa e nos Estados Unidos, a via do eletrólito sólido de óxido é a mais escolhida para o desenvolvimento de aplicações de ânodos de lítio metálico. Na China, foram estabelecidas as três vias do eletrólito de estado sólido. Ao mesmo tempo que desenvolve baterias totalmente em estado sólido, a China está também a desenvolver vigorosamente baterias em estado semi-sólido que são mais favoráveis às indústrias existentes.
Resumo
Como uma atualização das baterias de lítio tradicionais, as baterias de estado sólido obtêm maior densidade energética, melhor segurança, maior espaço para otimização de processos e maior flexibilidade através da substituição de electrólitos e materiais de eléctrodos, tornando-se a forma ideal de baterias de lítio da próxima geração.
Até agora, os três electrólitos sólidos têm as suas próprias vantagens e desvantagens, e nenhum deles é tão bom como na teoria. Além disso, a falta de produção em grande escala aumentou consideravelmente o custo das baterias de estado sólido.
Mas com o passar do tempo e os avanços tecnológicos, podemos acreditar que as baterias de estado sólido se irão espalhar gradualmente e substituir gradualmente as tradicionais baterias de lítio líquido em vários campos.