O que é uma bateria de estado sólido?
2025-02-20
As baterias de estado sólido são um tipo de tecnologia de bateria. Ao contrário das baterias de íons de lítio e das baterias de polímero de íons de lítio comumente usadas hoje, as baterias de estado sólido são baterias que utilizam eletrodos sólidos e eletrólitos sólidos.
Neste artigo, vamos apresentar detalhadamente a definição, o princípio de funcionamento, as vantagens e os desafios de desenvolvimento futuro das baterias de estado sólido.
Definição: As baterias de estado sólido referem-se a baterias que utilizam eletrodos sólidos e eletrólitos sólidos, em vez dos eletrólitos líquidos tradicionais. Essa tecnologia de bateria tem recebido ampla atenção e pesquisa nos últimos anos e é vista como uma tecnologia importante que pode substituir as atuais baterias de íons de lítio predominantes.
As baterias de estado sólido são baterias que utilizam eletrodos sólidos e eletrólitos sólidos. As baterias de estado sólido geralmente têm uma densidade de potência mais baixa e uma densidade de energia mais alta. Como as baterias de estado sólido possuem uma relação potência-peso relativamente alta, elas são baterias ideais para veículos elétricos.
Princípio de funcionamento da bateria de estado sólido
A bateria de lítio líquida tradicional também é chamada de “bateria da cadeira de balanço” pelos cientistas. As duas extremidades da cadeira de balanço são os pólos positivo e negativo da bateria, e o eletrólito (líquido) está no meio. Os íons de lítio são como atletas excepcionais, correndo de um lado para o outro nas extremidades da cadeira de balanço. No processo de movimento dos íons de lítio do eletrodo positivo para o negativo e depois para o positivo, o processo de carga e descarga da bateria é concluído.
O princípio da bateria de estado sólido é o mesmo, exceto que seu eletrólito é sólido, e sua densidade e estrutura permitem que mais íons carregados se acumulem em uma extremidade, conduzam uma corrente maior e, assim, aumentem a capacidade da bateria. Portanto, para a mesma quantidade de eletricidade, o volume da bateria de estado sólido será menor. Além disso, como não há eletrólito na bateria de estado sólido, o selamento se torna mais fácil. Quando usada em equipamentos grandes, como automóveis, não é necessário adicionar tubos de resfriamento adicionais, controles eletrônicos, etc., o que não só economiza custos, mas também reduz efetivamente o peso.
Vantagens das baterias de estado sólido
Vantagem 1
Leveza e alta densidade de energia. Após o uso de eletrólitos de estado sólido, o sistema de materiais aplicáveis às baterias de lítio-íon também mudará. O ponto central é que não será necessário usar eletrodos negativos de grafite com lítio embutido, mas sim utilizar lítio metálico diretamente como eletrodos negativos, o que pode reduzir significativamente a quantidade de materiais do eletrodo negativo utilizados, aumentando consideravelmente a densidade de energia de toda a bateria.
Vantagem 2
Espessura reduzida e volume pequeno. Em baterias de lítio-íon tradicionais, são necessários separadores e eletrólitos, que juntos ocupam quase 40% do volume e 25% da massa da bateria. Se forem substituídos por eletrólitos sólidos (principalmente materiais cerâmicos orgânicos e inorgânicos), a distância entre os eletrodos positivo e negativo (tradicionalmente preenchida com eletrólitos de separador, agora preenchida com eletrólitos sólidos) pode ser reduzida para apenas alguns micrômetros ou dezenas de micrômetros, o que permite que a espessura da bateria seja significativamente reduzida – portanto, a tecnologia de baterias de estado sólido é o único caminho para miniaturizar e criar baterias mais finas.
Vantagem 3
Perspectiva de flexibilidade. Mesmo materiais cerâmicos frágeis podem frequentemente ser dobrados após a espessura ser reduzida para menos de milímetros, e o material se tornará flexível. Correspondentemente, a flexibilidade das baterias de estado sólido aumentará significativamente após serem feitas mais finas e leves. Ao usar materiais de embalagem adequados (não cascas rígidas), as baterias fabricadas podem suportar centenas ou milhares de dobras sem perder desempenho.
Vantagem 4
Mais segura.
As baterias de lítio tradicionais podem apresentar os seguintes perigos:
(1) Podem aparecer dendritos de lítio quando operando sob corrente alta, o que pode perfurar o separador e causar danos por curto-circuito.
(2) O eletrólito é um líquido orgânico, que tem tendência a gerar reações secundárias, decomposição oxidativa, geração de gás e combustão em altas temperaturas. Os dois problemas acima podem ser resolvidos diretamente ao usar a tecnologia de baterias de estado sólido.
Razões para o desenvolvimento das baterias de estado sólido
O maior fator limitante nas baterias que usamos atualmente é o eletrólito líquido, que é composto por solventes orgânicos, sais de lítio e alguns aditivos. Ele desempenha a função de transportar íons e conduzir corrente. No entanto, esses solventes orgânicos possuem baixa solubilidade, resistência à corrosão e oxidação. Sua existência não resolve o problema dos dendritos de lítio. Uma vez que a cristalização ocorra, ela pode perfurar o separador, e os eletrodos positivo e negativo entrarão em contato direto, causando assim um runaway térmico.
(a. Dendritos de lítio em forma de bigodes， b. Dendritos de lítio em forma de musgo， c. Dendritos de lítio， d. Dendritos de lítio esféricos)
Além disso, a presença do eletrólito também limita o uso de materiais dos eletrodos positivo e negativo. As baterias que usamos atualmente geralmente utilizam eletrodos negativos de grafite. Pode-se entender isso como um recipiente. Quando os íons de lítio entram nele, é como uma casa que os abriga. Devido ao grafite ser uma estrutura restritiva, o SEI (interface de eletrólito sólido) na superfície da casa se torna controlável. O limite teórico da densidade de energia das baterias ternárias que vemos atualmente é de cerca de 250-300 Wh/kg.
Se um meio totalmente sólido for utilizado em vez do líquido, o separador pode ser completamente eliminado, e não há necessidade de se preocupar com os eletrodos positivo e negativo entrando em contato direto e causando curto-circuito, porque o meio sólido pode bloquear completamente os materiais dos eletrodos de forma física, e o problema dos dendritos de lítio perfurando a barreira pode ser basicamente resolvido, garantindo maior segurança. Portanto, as baterias de estado sólido são mais seguras e apresentam uma probabilidade menor de runaway térmico.
Além disso, a escolha dos materiais dos eletrodos positivo e negativo é mais diversificada, sendo compatível com eletrodos de alta capacidade específica, melhorando significativamente a capacidade da bateria. Por exemplo, o material do eletrodo negativo pode até ser feito de lítio puro: o "recipiente" pode ser completamente eliminado, pois o meio sólido não reage com o lítio metálico, e mais lítio pode ser armazenado. Além disso, pode inibir o crescimento de dendritos de lítio. Como é uma interface dura com dura, a superfície do eletrodo negativo pode ser nivelada à força, o que é uma das razões para sua alta densidade de energia. Em teoria, a densidade de energia das baterias de estado sólido pode atingir 500 Wh/kg, com baterias menores e maior vida útil da bateria.
Desvantagens e desafios das baterias de estado sólido
● Baixa maturidade tecnológica:
A tecnologia de baterias de estado sólido, como um todo, ainda está na fase de pesquisa e desenvolvimento e ainda não amadureceu completamente.
● Alto custo de fabricação:
O custo de fabricação atual das baterias de estado sólido é relativamente alto, principalmente devido a fatores como alta dificuldade técnica e baixa eficiência de produção.
● Problema de impedância da interface:
O contato sólido-sólido entre o eletrólito sólido e o material do eletrodo pode levar a uma maior impedância da interface, afetando o desempenho de carga e descarga da bateria.
● Condutividade do eletrólito:
A condutividade dos eletrólitos sólidos geralmente é inferior à dos eletrólitos líquidos, o que limita a densidade de potência e as capacidades de carregamento rápido das baterias de estado sólido.
Desenvolvimento das baterias de estado sólido
Desde que a Sony introduziu as baterias de lítio-íon com eletrólitos líquidos em dispositivos eletrônicos em 1991, as baterias de lítio líquidas se tornaram uma das rotas tecnológicas mais maduras e amplamente utilizadas.
Em 2010, a Toyota lançou uma bateria de estado sólido com autonomia superior a 1.000 km. Os esforços feitos pela QuantumScape e pela Sakti3 também estão tentando substituir as tradicionais baterias de lítio líquidas por baterias de estado sólido.
A canadense Avestor também tentou desenvolver baterias de lítio de estado sólido, mas finalmente entrou com pedido de falência em 2006. A Avestor utilizava um separador de polímero para substituir o eletrólito líquido na bateria, mas não resolveu o problema de segurança. Vários incidentes de combustão ou explosão de baterias ocorreram na América do Norte.
Em março de 2015, James Dyson, o inventor do aspirador de pó e fundador da Dyson (Reino Unido), investiu seus primeiros 15 milhões de dólares na empresa de baterias de estado sólido Sakti3, uma startup de baterias fundada em 2007.
Em janeiro de 2018, uma nova tecnologia de bateria revolucionária parecia finalmente estar se aproximando da realidade. Se corresponder às expectativas, a nova tecnologia pode atender às necessidades dos viciados em celular por vários dias e pode aumentar a autonomia dos veículos elétricos para mais de 500 milhas (cerca de 804 quilômetros). Essa nova tecnologia é chamada de tecnologia de baterias de estado sólido, que substitui o eletrólito líquido nas baterias atuais por materiais cerâmicos.
Em 9 de janeiro de 2021, a NIO lançou um novo pacote de baterias de estado sólido de 150 kWh. Espera-se que os veículos elétricos NIO equipados com essa tecnologia sejam entregues no quarto trimestre de 2022, e a autonomia deve ultrapassar 1.000 quilômetros.
Em 9 de janeiro de 2021, a NIO lançou um novo pacote de baterias de estado sólido de 150 kWh. Espera-se que os veículos elétricos NIO equipados com essa tecnologia sejam entregues no quarto trimestre de 2022, e a autonomia deve ultrapassar 1.000 quilômetros.
Em junho de 2024, a empresa japonesa de componentes eletrônicos TDK afirmou que fez uma descoberta material em baterias de estado sólido pequenas, o que deve melhorar significativamente o desempenho de dispositivos eletrônicos pequenos, como fones de ouvido sem fio e relógios inteligentes. A nova bateria oferece uma densidade de energia (ou seja, a quantidade de energia que pode ser comprimida em um espaço determinado) de 1.000 watt-horas por litro (Wh/l), cerca de 100 vezes maior do que as baterias produzidas em massa pela TDK.
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