Tecnología

¿Cambiar a tecnología de baterías de estado sólido?

Se espera que los vehículos eléctricos incluyan baterías de estado sólido como un enfoque innovador, según el informe de investigación del informe "Solid-State and Polymer Batteries 2020-2030: Technology, Patents, Forecasts, Players". .

La tecnología madura de baterías de iones de litio tiene sus limitaciones intrínsecas

Desde su comercialización en 1991, las baterías de iones de litio han tenido un éxito mundial. Sin embargo, esto no puede ocultar sus limitaciones intrínsecas en términos de seguridad, rendimiento, factor de forma y costes

La mayoría de las tecnologías de iones de litio actuales emplean electrolitos líquidos, con sales de litio como LiPF6, LiBF4 o LiClO4 en un disolvente orgánico. Sin embargo, la interfase del electrolito sólido, que se produce como resultado de la descomposición del electrolito en el electrodo negativo, limita la conductancia efectiva. Además, el electrolito líquido necesita membranas caras para separar el cátodo y el ánodo, así como una carcasa impermeable para evitar fugas. Por lo tanto, el tamaño y la libertad de diseño de estas baterías están limitados. Además, los electrolitos líquidos tienen problemas de seguridad y salud ya que utilizan líquidos inflamables y corrosivos. Firegate de Samsung ha destacado en particular los riesgos en los que incluso las grandes empresas incurren cuando se utilizan electrolitos líquidos inflamables.

Las baterías de iones de litio de alta gama actuales pueden alcanzar una densidad de energía de más de 700 Wh / L a nivel de celda, con un rango de conducción máximo de aproximadamente 500 km para vehículos eléctricos. Los materiales de cátodo con alto contenido de níquel que se están mejorando pueden impulsar aún más la densidad de energía, pero las características de los materiales activos pueden marcar un umbral.

Las baterías de estado sólido pueden cambiar las reglas del juego

El electrolito de estado sólido permite la integración de materiales de mejor rendimiento, como el metal de litio y los materiales de cátodos de alto voltaje. Sin embargo, se ha observado que las baterías de estado sólido de primera generación pueden contener tipos similares de materiales de electrodo activo, y el electrolito líquido se reemplaza por electrolito de estado sólido. En este caso, las baterías de estado sólido no tienen una ventaja obvia sobre las baterías de iones de litio de base líquida en términos de densidad de energía.

Sin embargo, las baterías de estado sólido todavía proporcionan valores en este caso. Como tanto los electrodos como el electrolito son de estado sólido, el electrolito sólido también se comporta como separador, permitiendo la reducción de volumen y peso debido a la eliminación de ciertos componentes (por ejemplo, separador y carcasa). Permiten una disposición más compacta de las celdas en el paquete de baterías. Por ejemplo, la disposición bipolar permite un mayor voltaje y capacidad a nivel de celda. La conexión simplificada proporciona espacio adicional en el paquete de baterías para más celdas.

Además, la eliminación de electrolitos líquidos inflamables puede ser una vía para baterías más seguras y duraderas, ya que son más resistentes a los cambios de temperatura y a los daños físicos que se producen durante el uso. Las baterías de estado sólido pueden soportar más ciclos de carga / descarga antes de la degradación, lo que promete una vida útil más larga. Mejor seguridad significa menos electrónica de monitorización de seguridad en los módulos / paquetes de batería.

Por lo tanto, incluso las generaciones iniciales de baterías de estado sólido pueden tener una densidad de energía similar, o incluso menor, que las baterías de iones de litio convencionales, la energía disponible en el paquete de baterías puede ser comparable o incluso superior a la de las últimas.

Con la ventana electroquímica más grande que pueden proporcionar los electrolitos sólidos, se pueden usar materiales de cátodo de alto voltaje. Además, el ánodo de metal de litio de alta densidad de energía puede impulsar aún más la densidad de energía más allá de 1000 Wh / L. Estas características pueden hacer que la batería de estado sólido cambie las reglas del juego.

Las tecnologías en competencia dificultan la decisión

La inversión en varias empresas de baterías de estado sólido reflejó el enorme potencial de las baterías de estado sólido. Sin embargo, la batería de estado sólido no se basa en una sola tecnología. En cambio, existen múltiples enfoques tecnológicos disponibles en la industria. Los electrolitos de estado sólido se pueden segmentar aproximadamente en tres categorías: tipos orgánicos, tipos inorgánicos y compuestos. Dentro de la categoría inorgánica, los similares a LISICON, argyrodites, garnet, tipo NASICON, perovskita, LiPON, Li-Hydride y Li-Halide se consideran 8 tipos populares. El tipo LISICON y las argyroditas pertenecen al sistema de sulfuro, mientras que el garnet, el tipo NASICON, la perovskita y el LiPON se basan en sistemas de óxido.


Enfoque de tecnología de electrolitos de estado sólido. Fuente: IDTechEx

La carrera entre los sistemas de polímeros, óxidos y sulfuros no está clara hasta ahora y es común ver a las compañías de baterías probando múltiples enfoques. Los sistemas de polímeros son fáciles de procesar y están más cerca de la comercialización, mientras que la temperatura de funcionamiento relativamente alta, el bajo potencial antioxidante y la peor estabilidad indican desafíos. Los electrolitos de sulfuro tienen las ventajas de alta conductividad iónica, baja temperatura de procesamiento, amplia ventana de estabilidad electroquímica, etc. Muchas características los hacen atractivos y muchos los consideran la mejor opción. Sin embargo, la dificultad de fabricación y el subproducto tóxico que se puede generar en el proceso hacen que la comercialización sea relativamente lenta. Los sistemas de óxido son estables y seguros, mientras que la mayor resistencia de la interfaz y la alta temperatura de procesamiento muestran algunas dificultades en general.

En este informe, se presentan, analizan y comparan tecnologías detalladas. Para comprender mejor las tecnologías de baterías de estado sólido, los jugadores, los mercados, las oportunidades, los desafíos y más, consulte el informe de IDTechEx.

 

 

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