Investigação no sector das baterias de estado sólido
Atualmente, os veículos movidos a novas energias tornaram-se gradualmente a corrente principal do mercado automóvel, e a bateria dos veículos movidos a novas energias tornou-se uma preocupação fundamental para muitos consumidores. bateria de estado sólido tornou-se um novo e popular tipo de bateria.
Índice
O que é uma bateria de estado sólido?
1. Definição de bateria de estado sólido
De acordo com a classificação do eletrólito, as baterias de lítio podem ser divididas em quatro categorias: líquida, semi-sólida, quase-sólida e totalmente sólida, das quais semi-sólida, quase-sólida e totalmente sólida são coletivamente designadas por bateria de estado sólido. E devido aos diferentes estados do eletrólito, a bateria de estado sólido é diferente das baterias de iões de lítio líquidas em termos de estrutura.
2. Desenvolvimento da bateria de lítio
Como o desenvolvimento de indústria das pilhas de lítio No âmbito das baterias de potência e das baterias de armazenamento de energia, os principais requisitos das baterias de lítio, como a capacidade específica, a eficiência na primeira utilização, a segurança e os tempos de ciclo, são cada vez mais elevados. Espera-se que a densidade de energia das baterias de iões de lítio aumente para mais de 300Wh/kg nos próximos cinco anos, mas é difícil atingir o objetivo de uma densidade de energia das baterias superior a 350Wh/kg com base no sistema ternário existente.
A bateria de estado sólido tem uma melhoria óbvia na capacidade específica e na segurança devido à sua estrutura, materiais catódicos, materiais anódicos e materiais electrolíticos.
Comparação entre bateria de estado líquido e sólido
1. Segurança
O risco de segurança das baterias líquidas deve-se principalmente ao eletrólito líquido. De acordo com as últimas notícias, os acidentes causados por baterias em veículos eléctricos são principalmente combustão espontânea e deflagração. E o principal fator de desencadeamento da combustão espontânea é a fuga térmica da bateria. A bateria entra em curto-circuito num ambiente sobrecarregado, a baixa ou alta temperatura, e a bateria liberta muito calor num curto período de tempo, o que inflama o eletrólito líquido no interior da bateria e acaba por provocar o incêndio da bateria.
A bateria de estado sólido, por outro lado, utiliza eletrólito sólido, a maior parte do qual é incombustível, resolvendo a inflamabilidade do eletrólito; ao mesmo tempo, a película de eletrólito sólido é densa e não porosa, com elevada resistência mecânica, inibindo eficazmente o problema de curto-circuito causado pelo elétrodo negativo; é também melhor do que o eletrólito em termos de estabilidade térmica e eletroquímica, melhorando consideravelmente o desempenho de segurança das baterias de lítio.
2. Densidade energética
A densidade de energia da bateria é diretamente determinada pela capacidade teórica em gramas e pela diferença de potencial eletroquímico dos materiais do cátodo e do ânodo. De acordo com os últimos progressos da bateria de estado sólido, a densidade de energia da grande bateria cilíndrica Tesla 4680 é de 283Wh/kg, enquanto que, de acordo com a estrutura da bateria de estado sólido CATL, a densidade de energia do fosfato de ferro-lítio é de 160wh/kg, a do níquel ternário elevado é de 250wh/kg.
E em outubro de 2022, a NASA apresentou no seu sítio Web oficial, a investigação e o desenvolvimento actuais da NASA de uma densidade de energia de bateria de estado sólido bem sucedida atingiram 500Wh/kg, quase o dobro do níquel ternário elevado.
Os materiais do cátodo e do ânodo da bateria de estado sólido podem ser utilizados com uma maior diferença de potencial e, devido à vantagem da estabilidade da estrutura sólida, a capacidade dos materiais do cátodo e do ânodo pode ser expandida no processo de fabrico para melhorar a densidade energética global da bateria.
Todas as baterias de estado sólido podem utilizar lítio metálico como elétrodo negativo (a capacidade específica do lítio metálico é quase 10 vezes superior à do elétrodo negativo de grafite), o que se espera que aumente a densidade energética em mais de 50% sob o mesmo sistema de elétrodo positivo e, ao mesmo tempo, melhore a densidade energética PACK da bateria e reduza o custo da bateria.
Rota tecnológica dos materiais electrolíticos de estado sólido
Os principais requisitos a ter em conta no processo de construção de um eletrólito de estado sólido de elevado desempenho incluem.
① Alta condutividade eléctrica.
② Boa estabilidade química, não reagindo com os materiais internos da bateria.
③ Elevado número de migração de iões de lítio, o número de migração de iões superior a 1 é o estado mais ideal.
④ Propriedades mecânicas e tenacidade, para cinco níveis de electrólitos sólidos, há geralmente um fenómeno mais frágil e quebradiço.
Atualmente, existem três grandes vias técnicas com electrólitos de estado sólido: polímero, óxido e sulfureto. Os parâmetros de desempenho dos três tipos de electrólitos sólidos têm as suas próprias vantagens e desvantagens.
De acordo com a consulta de informações públicas, em outubro de 2022, o produto da rota de sulfeto da NASA, a densidade de energia atingiu 500 Wh / kg. Em 2018, Suzhou, na China, anunciou o desenvolvimento de um produto baseado na rota do óxido, a densidade de energia da bateria de estado sólido atingiu 400 Wh/kg; em dezembro de 2019, Sakti3 afirmou ter desenvolvido uma bateria de estado sólido com uma densidade de energia superior a 1000 Wh/kg.
Interface de bateria de estado sólido
A interface de bateria de estado sólido refere-se a: ① A interface no interior do eletrólito sólido
② A interface no interior do material catódico compósito
③ A interface entre o eletrólito sólido e o material do cátodo
④ A interface entre o eletrólito sólido e o material do elétrodo negativo
O conceito de interface é induzido na bateria de estado sólido principalmente porque as interfaces de fase sólida de materiais sólidos não têm molhabilidade entre si, dificultando o contacto suficiente e formando uma resistência de contacto mais elevada. Além disso, durante o ciclo, ocorrem fenómenos como a interdifusão de elementos e a formação de camadas de carga espacial, que afectam o desempenho da célula. Existe um grande número de limites de grão no eletrólito cristalino, e a elevada resistência dos limites de grão não favorece o transporte de iões de lítio entre os eléctrodos positivo e negativo.
A fim de melhorar o desempenho de diferentes interfaces (por exemplo, condutividade, camada de carga espacial, etc.), é necessária uma I&D e uma conceção especiais da estrutura, do processo de preparação e da seleção de materiais da bateria de estado sólido.
Procura do mercado
Prevê-se que a procura global de baterias de estado sólido em 2030 seja de cerca de 500 GWH, com um espaço de mercado de mais de 150 mil milhões, dos quais a procura de baterias de estado sólido é superior a 350 GWH.
De acordo com as previsões do Instituto, as remessas de baterias de estado sólido da China deverão crescer a um ritmo elevado de 2022 a 2030, podendo exceder 250 GWH em 2030, enquanto que, em termos de custos, com o progresso contínuo da tecnologia de baterias de estado sólido, o preço de custo das baterias de estado sólido continuará também a diminuir, prevendo-se que o preço de custo das baterias de estado sólido na China desça de 1,9 yuan/Wh em 2022 para 0,8 yuan/Wh em 2030.
O preço de custo da bateria de lítio ternária em 2022 é de cerca de 1 yuan/Wh, e o preço de custo da bateria de fosfato de ferro-lítio é de 0,8 yuan/Wh.
Atualmente, as baterias líquidas têm uma maior vantagem em termos de custo em comparação com as baterias de estado sólido. No entanto, com o desenvolvimento da tecnologia das baterias de estado sólido e a implementação da produção em massa, o custo aproximar-se-á do das baterias líquidas, ao mesmo tempo que serão realçadas as vantagens da sua elevada densidade energética e elevada segurança.
Ayan Chen
Caros leitores, o meu percurso profissional começou com um mestrado em Engenharia Eletrónica, após o qual me concentrei nos sistemas de troca de baterias de lítio. Como engenheiro de uma empresa de baterias de renome, não só contribuí com todo o meu coração para vários projectos bem sucedidos de estações de troca de baterias, como também adquiri uma vasta experiência. Através da minha escrita, pretendo partilhar convosco ideias e conhecimentos sobre a troca de baterias de motociclos.
Investigação no sector das baterias de estado sólido
O que é uma bateria de estado sólido?
1. Definição de bateria de estado sólido
De acordo com a classificação do eletrólito, as baterias de lítio podem ser divididas em quatro categorias: líquida, semi-sólida, quase-sólida e totalmente sólida, das quais semi-sólida, quase-sólida e totalmente sólida são coletivamente designadas por bateria de estado sólido. E devido aos diferentes estados do eletrólito, a bateria de estado sólido é diferente das baterias de iões de lítio líquidas em termos de estrutura.
2. Desenvolvimento da bateria de lítio
Como o desenvolvimento de indústria das pilhas de lítio No âmbito das baterias de potência e das baterias de armazenamento de energia, os principais requisitos das baterias de lítio, como a capacidade específica, a eficiência na primeira utilização, a segurança e os tempos de ciclo, são cada vez mais elevados. Espera-se que a densidade de energia das baterias de iões de lítio aumente para mais de 300Wh/kg nos próximos cinco anos, mas é difícil atingir o objetivo de uma densidade de energia das baterias superior a 350Wh/kg com base no sistema ternário existente.
A bateria de estado sólido tem uma melhoria óbvia na capacidade específica e na segurança devido à sua estrutura, materiais catódicos, materiais anódicos e materiais electrolíticos.
Comparação entre bateria de estado líquido e sólido
1. Segurança
O risco de segurança das baterias líquidas deve-se principalmente ao eletrólito líquido. De acordo com as últimas notícias, os acidentes causados por baterias em veículos eléctricos são principalmente combustão espontânea e deflagração. E o principal fator de desencadeamento da combustão espontânea é a fuga térmica da bateria. A bateria entra em curto-circuito num ambiente sobrecarregado, a baixa ou alta temperatura, e a bateria liberta muito calor num curto período de tempo, o que inflama o eletrólito líquido no interior da bateria e acaba por provocar o incêndio da bateria.
A bateria de estado sólido, por outro lado, utiliza eletrólito sólido, a maior parte do qual é incombustível, resolvendo a inflamabilidade do eletrólito; ao mesmo tempo, a película de eletrólito sólido é densa e não porosa, com elevada resistência mecânica, inibindo eficazmente o problema de curto-circuito causado pelo elétrodo negativo; é também melhor do que o eletrólito em termos de estabilidade térmica e eletroquímica, melhorando consideravelmente o desempenho de segurança das baterias de lítio.
2. Densidade energética
A densidade de energia da bateria é diretamente determinada pela capacidade teórica em gramas e pela diferença de potencial eletroquímico dos materiais do cátodo e do ânodo. De acordo com os últimos progressos da bateria de estado sólido, a densidade de energia da grande bateria cilíndrica Tesla 4680 é de 283Wh/kg, enquanto que, de acordo com a estrutura da bateria de estado sólido CATL, a densidade de energia do fosfato de ferro-lítio é de 160wh/kg, a do níquel ternário elevado é de 250wh/kg.
E em outubro de 2022, a NASA apresentou no seu sítio Web oficial, a investigação e o desenvolvimento actuais da NASA de uma densidade de energia de bateria de estado sólido bem sucedida atingiram 500Wh/kg, quase o dobro do níquel ternário elevado.
Os materiais do cátodo e do ânodo da bateria de estado sólido podem ser utilizados com uma maior diferença de potencial e, devido à vantagem da estabilidade da estrutura sólida, a capacidade dos materiais do cátodo e do ânodo pode ser expandida no processo de fabrico para melhorar a densidade energética global da bateria.
Todas as baterias de estado sólido podem utilizar lítio metálico como elétrodo negativo (a capacidade específica do lítio metálico é quase 10 vezes superior à do elétrodo negativo de grafite), o que se espera que aumente a densidade energética em mais de 50% sob o mesmo sistema de elétrodo positivo e, ao mesmo tempo, melhore a densidade energética PACK da bateria e reduza o custo da bateria.
Rota tecnológica dos materiais electrolíticos de estado sólido
Os principais requisitos a ter em conta no processo de construção de um eletrólito de estado sólido de elevado desempenho incluem.
① Alta condutividade eléctrica.
② Boa estabilidade química, não reagindo com os materiais internos da bateria.
③ Elevado número de migração de iões de lítio, o número de migração de iões superior a 1 é o estado mais ideal.
④ Propriedades mecânicas e tenacidade, para cinco níveis de electrólitos sólidos, há geralmente um fenómeno mais frágil e quebradiço.
Atualmente, existem três grandes vias técnicas com electrólitos de estado sólido: polímero, óxido e sulfureto. Os parâmetros de desempenho dos três tipos de electrólitos sólidos têm as suas próprias vantagens e desvantagens.
De acordo com a consulta de informações públicas, em outubro de 2022, o produto da rota de sulfeto da NASA, a densidade de energia atingiu 500 Wh / kg. Em 2018, Suzhou, na China, anunciou o desenvolvimento de um produto baseado na rota do óxido, a densidade de energia da bateria de estado sólido atingiu 400 Wh/kg; em dezembro de 2019, Sakti3 afirmou ter desenvolvido uma bateria de estado sólido com uma densidade de energia superior a 1000 Wh/kg.
Interface de bateria de estado sólido
A interface de bateria de estado sólido refere-se a:
① A interface no interior do eletrólito sólido
② A interface no interior do material catódico compósito
③ A interface entre o eletrólito sólido e o material do cátodo
④ A interface entre o eletrólito sólido e o material do elétrodo negativo
O conceito de interface é induzido na bateria de estado sólido principalmente porque as interfaces de fase sólida de materiais sólidos não têm molhabilidade entre si, dificultando o contacto suficiente e formando uma resistência de contacto mais elevada. Além disso, durante o ciclo, ocorrem fenómenos como a interdifusão de elementos e a formação de camadas de carga espacial, que afectam o desempenho da célula. Existe um grande número de limites de grão no eletrólito cristalino, e a elevada resistência dos limites de grão não favorece o transporte de iões de lítio entre os eléctrodos positivo e negativo.
A fim de melhorar o desempenho de diferentes interfaces (por exemplo, condutividade, camada de carga espacial, etc.), é necessária uma I&D e uma conceção especiais da estrutura, do processo de preparação e da seleção de materiais da bateria de estado sólido.
Procura do mercado
Prevê-se que a procura global de baterias de estado sólido em 2030 seja de cerca de 500 GWH, com um espaço de mercado de mais de 150 mil milhões, dos quais a procura de baterias de estado sólido é superior a 350 GWH.
De acordo com as previsões do Instituto, as remessas de baterias de estado sólido da China deverão crescer a um ritmo elevado de 2022 a 2030, podendo exceder 250 GWH em 2030, enquanto que, em termos de custos, com o progresso contínuo da tecnologia de baterias de estado sólido, o preço de custo das baterias de estado sólido continuará também a diminuir, prevendo-se que o preço de custo das baterias de estado sólido na China desça de 1,9 yuan/Wh em 2022 para 0,8 yuan/Wh em 2030.
O preço de custo da bateria de lítio ternária em 2022 é de cerca de 1 yuan/Wh, e o preço de custo da bateria de fosfato de ferro-lítio é de 0,8 yuan/Wh.
Atualmente, as baterias líquidas têm uma maior vantagem em termos de custo em comparação com as baterias de estado sólido. No entanto, com o desenvolvimento da tecnologia das baterias de estado sólido e a implementação da produção em massa, o custo aproximar-se-á do das baterias líquidas, ao mesmo tempo que serão realçadas as vantagens da sua elevada densidade energética e elevada segurança.