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O que é uma pilha de estado semi-sólido Uma introdução pormenorizada

O que é uma pilha de estado semi-sólido? Uma introdução pormenorizada  

O rápido desenvolvimento da nova indústria energética colocou a tecnologia das baterias eléctricas no centro das atenções. Embora as baterias de iões de lítio líquidos continuem a dominar, a bateria de estado semi-sólido surgiu como uma tecnologia de transição, procurando colmatar o fosso entre o líquido e o baterias de estado sólido.

No entanto, este caminho está repleto de desafios, uma vez que a tecnologia enfrenta a concorrência de ambos os extremos do espetro. Este artigo explora as caraterísticas técnicas, as vantagens, as desvantagens, as aplicações de mercado e as perspectivas futuras da bateria de estado semi-sólido.

Índice
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O que é uma bateria de estado semi-sólido?

Na evolução das tecnologias de armazenamento de energia, a bateria de estado semi-sólido está a ganhar força como uma solução promissora entre o ião de lítio líquido e as concepções de estado totalmente sólido. É definida como uma bateria em que um elétrodo não contém eletrólito líquido e o outro contém, ou em que o eletrólito sólido representa mais de metade da massa ou do volume total do eletrólito.

Princípio de funcionamento das pilhas semi-sólidas

Materiais dos eléctrodos positivo e negativo: Os materiais dos eléctrodos positivo e negativo das baterias semi-sólidas seguem os materiais comuns das baterias de iões de lítio (como NCM, LFP, etc.) e podem também ser combinados com novos materiais de baterias de estado sólido.

Eletrólito semi-sólido: É composto principalmente por partículas sólidas e uma pequena quantidade de eletrólito líquido, que pode não só manter a condutividade iónica, mas também melhorar a estabilidade e a segurança da bateria. Pode ser um eletrólito em estado de gel ou à base de polímeros, que tem um menor risco de fuga e melhor resistência a altas temperaturas do que os electrólitos líquidos tradicionais.

Processo de carga e descarga:

  • Durante o carregamentoiões de lítio são libertados do elétrodo positivo, migram para o elétrodo negativo através do eletrólito semi-sólido e são incorporados no mesmo (por exemplo, incorporados no elétrodo negativo de grafite ou silício).
  • Durante a descargaiões de lítio são libertados do elétrodo negativo, atravessam o eletrólito semi-sólido, regressam ao elétrodo positivo e libertam energia para ser utilizada pelo dispositivo.
Como funcionam as baterias de estado semi-sólido

Vantagens das baterias de estado semi-sólido

Elevada densidade energética

Enquanto as baterias de iões de lítio convencionais estão normalmente limitadas a 300Wh/kg, a bateria de estado semi-sólido pode exceder este limite, atingindo 300-400Wh/kg e potencialmente mais. Alguns estudos laboratoriais sugerem uma densidade de energia teórica de até 700Wh/kg, quase o dobro das baterias de iões de lítio líquido de alto desempenho.

Tamanho compacto e design leve

As baterias de lítio tradicionais atribuem cerca de 40% do seu volume e 25% do seu peso ao eletrólito (explore a eletrólito de bateria de iões de lítio) e separador. Ao incorporar electrólitos sólidos, a bateria de estado semi-sólido minimiza estes materiais, permitindo um design mais compacto. Isto torna-a ideal para aplicações que exigem restrições rigorosas de peso e tamanho, como drones e veículos eléctricos.

Vantagens da bateria de estado semi-sólido Tamanho compacto e design leve

A caraterística da flexibilidade

A utilização de electrólitos sólidos flexíveis à base de cerâmica permite-lhes exibir um certo grau de flexão quando reduzidos a espessuras milimétricas. Esta propriedade é particularmente vantajosa para dispositivos portáteis e eletrónica flexível.

Segurança reforçada

As baterias de lítio líquidas apresentam riscos de incêndio ou explosão devido a impactos externos, perfurações ou curto-circuitos. A bateria de estado semi-sólido, ao utilizar electrólitos sólidos, elimina o risco de fuga de líquido e reduz significativamente a probabilidade de fuga térmica da bateria. Por exemplo, uma bateria de estado semi-sólido de 314Ah demonstrou um aumento de 40% na resistência ao descontrolo térmico em comparação com as células convencionais, melhorando consideravelmente a segurança.

Desafios e barreiras enfrentados pelas baterias de estado semi-sólido

Bateria de estado sólido vs bateria semi-sólida vs bateria líquida Diferença fundamental

Custos de produção elevados

Apesar das suas vantagens, o fabrico da bateria de estado semi-sólido continua a ser dispendioso. Os custos de produção actuais atingem cerca de 1800 yuan/kWh, em comparação com os 710 yuan/kWh das baterias de lítio ternárias líquidas. Este custo elevado deve-se aos materiais caros do eletrólito de estado sólido e a um processo de produção pouco desenvolvido.

Dificuldade no controlo do teor de electrólitos

Para uma segurança óptima, o conteúdo do eletrólito na bateria de estado semi-sólido deve ser inferior a 5%. No entanto, a tecnologia atual limita-o a 10%-15%, comparável às baterias de lítio líquido com alto teor de níquel, diminuindo a sua vantagem competitiva.

Industrialização limitada

Embora tenha sido atingido um certo grau de aplicação industrial, a adoção generalizada da bateria de estado semi-sólido ainda enfrenta obstáculos técnicos e de mercado. A indústria dos veículos eléctricos, por exemplo, dá prioridade à redução de custos e à eficiência, o que dificulta a integração de tecnologias de elevado custo na cadeia de abastecimento a curto prazo.

Cenários de aplicação das baterias de estado semi-sólido

As baterias semi-sólidas são utilizadas em motociclos eléctricos
  • Veículos eléctricos: Os veículos eléctricos e os motociclos de topo estão a adotar esta tecnologia. Por exemplo, o Bateria semi-sólida TYCORUN para motociclos eléctricos, bicicletas eléctricas e scooters, melhorando a sua segurança e permitindo maiores distâncias de condução.
  • Armazenamento de energia: Os sistemas urbanos de armazenamento de energia, as estações de base 5G e os centros de dados requerem baterias altamente estáveis. A bateria de estado semi-sólido, com a sua estabilidade térmica melhorada, é adequada para estas aplicações.
  • Drones e indústria aeroespacial: Os drones exigem soluções de energia leves e com elevada densidade energética. A bateria de estado semi-sólido oferece uma vantagem significativa neste sector. 

Estado sólido vs. estado semi-sólido vs. líquido: qual é o mais vantajoso?

Item Bateria líquida de iões de lítio Bateria de estado semi-sólido Bateria de estado sólido
Tipo de eletrólito Eletrólito líquido Parcialmente sólido + eletrólito líquido Eletrólito totalmente sólido
Densidade energética 150-300 Wh/kg 300-400 Wh/kg 400-500 Wh/kg
Segurança Inflamável, risco de fuga e de fuga térmica Segurança melhorada, risco reduzido de fuga térmica, mas ainda contém líquido Extremamente seguro, não inflamável, sem fugas, risco mínimo de fuga térmica
Ciclo de vida 800-2000 ciclos 1500-3000 ciclos 3000-5000 ciclos
Custo de fabrico Baixa, tecnologia madura, produção em grande escala Maior do que as baterias líquidas, processo complexo, custo elevado Muito elevado, ainda em fase inicial de desenvolvimento, ainda não produzido em massa
Maturidade tecnológica Mais maduro, amplamente utilizado no mercado Tecnologia de transição, algumas aplicações comerciais Ainda em I&D, comercialização prevista para depois de 2030

Desenvolvimento futuro e descobertas

  • Melhorar o desempenho dos electrólitos sólidos

A maioria das concepções actuais utiliza electrólitos híbridos sólido-líquido, mas a sua condutividade iónica continua a ser inferior à dos seus homólogos líquidos. As inovações futuras devem otimizar materiais como sulfuretos e óxidos para melhorar a estabilidade e a eficiência do ciclo da bateria.

  • Redução de custos

Com o aumento da escala de produção, espera-se que os custos diminuam. A recém-criada unidade de produção de baterias de estado semi-sólido de 6GWh, lançada pelo Guangdong Energy Group e pela Beijing Weilan New Energy em março de 2025, iniciou a produção em massa de células de alta capacidade de 314Ah, estabelecendo um precedente para a redução de custos.

  • Integração com a tecnologia de baterias de estado sólido

A longo prazo, a bateria de estado semi-sólido serve de trampolim para projectos de estado totalmente sólido. Algumas empresas estão a desenvolver ativamente tecnologias híbridas, como os métodos de solidificação in situ, para eliminar gradualmente os electrólitos líquidos.

Conclusão

Embora a bateria de estado semi-sólido enfrente atualmente desafios relacionados com o custo e a industrialização, as suas vantagens em termos de segurança e densidade energética tornam-na uma escolha atractiva para veículos eléctricos, armazenamento de energia de alta qualidade, drones e muito mais.

À medida que a tecnologia avança e a produção aumenta, espera-se que os custos da bateria de estado semi-sólido diminuam, abrindo caminho a uma adoção mais generalizada. Isto contribuirá para um cenário de armazenamento de energia mais seguro e eficiente, impulsionando o futuro do sector global das novas energias.

Ler mais: custo da bateria para motociclos

Imagem de Chase Wu
Chase Wu
Chase é um perito da indústria e analista independente especializado em sistemas de troca de baterias eléctricas de duas e três rodas. Os seus conhecimentos abrangem a tecnologia de baterias de iões de lítio, a infraestrutura inteligente de troca de baterias e as aplicações de mobilidade eléctrica, com um forte enfoque na implantação no mundo real, na dinâmica do mercado e no desenvolvimento da indústria a longo prazo.
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