¿Qué es una batería de estado sólido?
2025-02-20
Las baterías de estado sólido son un tipo de tecnología de batería. A diferencia de las baterías de iones de litio y las baterías de polímero de iones de litio comúnmente utilizadas hoy en día, las baterías de estado sólido son baterías que utilizan electrodos sólidos y electrolitos sólidos.
En este artículo, presentaremos en detalle la definición, el principio de funcionamiento, las ventajas y los desafíos futuros del desarrollo de las baterías de estado sólido.
Definición: Las baterías de estado sólido se refieren a baterías que utilizan electrodos sólidos y electrolitos sólidos en lugar de los electrolitos líquidos tradicionales. Esta tecnología de batería ha recibido una gran atención e investigación en los últimos años y se considera una tecnología importante que podría reemplazar a las baterías de iones de litio, actualmente las más utilizadas.
Las baterías de estado sólido son baterías que utilizan electrodos sólidos y electrolitos sólidos. Las baterías de estado sólido generalmente tienen una menor densidad de potencia y una mayor densidad de energía. Debido a que las baterías de estado sólido tienen una relación potencia-peso relativamente alta, son baterías ideales para vehículos eléctricos.
Principio de funcionamiento de la batería de estado sólido
La batería de litio líquida tradicional también es llamada vívidamente "batería de silla de montar" por los científicos. Los dos extremos de la silla de montar son los polos positivo y negativo de la batería, y el electrolito (líquido) está en el medio. Los iones de litio son como atletas excepcionales, corriendo de un lado a otro en ambos extremos de la silla de montar. En el proceso de movimiento de los iones de litio del electrodo positivo al negativo y luego al positivo, se completa el proceso de carga y descarga de la batería.
El principio de la batería de estado sólido es el mismo, excepto que su electrolito es sólido, y su densidad y estructura permiten que más iones cargados se concentren en un extremo, conduzcan una corriente mayor y, por lo tanto, aumenten la capacidad de la batería. Por lo tanto, para la misma cantidad de electricidad, el volumen de la batería de estado sólido se reducirá. No solo eso, dado que no hay electrolito en la batería de estado sólido, el sellado será más fácil. Cuando se utiliza en equipos grandes como automóviles, no es necesario agregar tubos de refrigeración adicionales, controles electrónicos, etc., lo que no solo ahorra costos, sino que también reduce eficazmente el peso.
Ventajas de las baterías de estado sólido
Ventaja 1
Ligereza y alta densidad de energía. Al utilizar electrolitos completamente sólidos, el sistema de materiales aplicable de las baterías de iones de litio también cambiará. El punto clave es que no es necesario usar electrodos negativos de grafito con litio incorporado, sino utilizar directamente litio metálico como electrodos negativos, lo que puede reducir significativamente la cantidad de materiales del electrodo negativo, mejorando así de manera significativa la densidad de energía de toda la batería.
Ventaja 2
Delgadez y pequeño volumen. En las baterías tradicionales de iones de litio, se requieren separadores y electrolitos, los cuales ocupan casi el 40% del volumen y el 25% de la masa de la batería. Si se sustituyen por electrolitos sólidos (principalmente materiales cerámicos orgánicos e inorgánicos), la distancia entre los electrodos positivo y negativo (tradicionalmente rellena con separadores y electrolitos, ahora rellena con electrolitos sólidos) puede reducirse a tan solo unos pocos micrómetros o decenas de micrómetros, lo que permite reducir enormemente el grosor de la batería. Por lo tanto, la tecnología de baterías de estado sólido es la única manera de miniaturizar y adelgazar las baterías.
Ventaja 3
Perspectiva de flexibilidad. Incluso los materiales cerámicos frágiles pueden doblarse a menudo después de que el grosor se reduzca a menos de milímetros, lo que hace que el material se vuelva flexible. En consecuencia, la flexibilidad de las baterías de estado sólido mejorará significativamente al hacerse más delgadas y ligeras. Al usar materiales de embalaje adecuados (sin conchas rígidas), las baterías fabricadas pueden soportar cientos o miles de doblamientos sin sacrificar el rendimiento.
Ventaja 4
Más segura.
Las baterías de litio tradicionales pueden tener los siguientes peligros:
(1) Pueden aparecer dendritas de litio cuando funcionan a corriente alta, lo que puede perforar el separador y causar un cortocircuito.
(2) El electrolito es un líquido orgánico, que tiene una tendencia a producir reacciones secundarias, descomposición oxidativa, generación de gas y combustión a altas temperaturas. Los dos problemas anteriores se pueden resolver directamente utilizando la tecnología de baterías de estado sólido.
Razones para desarrollar baterías de estado sólido
El mayor factor limitante en las baterías que usamos actualmente es el electrolito líquido, que está compuesto por disolventes orgánicos, sales de litio y algunos aditivos. Su función es transportar iones y conducir corriente. Sin embargo, estos disolventes orgánicos tienen una mala solubilidad, resistencia a la corrosión y oxidación. Su existencia no resuelve el problema de las dendritas de litio. Una vez que ocurre la cristalización, puede perforar el separador, y los electrodos positivo y negativo entrarán en contacto directo, lo que podría provocar un escape térmico.
(a) Dendritas de litio en forma de bigote (b) Dendritas de litio en forma de musgo (c) Dendritas de litio (d) Dendritas de litio esféricas
Además, la presencia de electrolito también limita el uso de materiales para los electrodos positivo y negativo. Las baterías que usamos actualmente generalmente utilizan electrodos negativos de grafito. Puedes entenderlo como un recipiente. Cuando los iones de litio entran en él, es como una casa que los alberga. Debido al grafito como restricción del marco, la interfaz de electrolito sólido (SEI) en la superficie de la casa se vuelve controlable. El límite teórico de la densidad de energía de la batería ternaria que vemos actualmente es de aproximadamente 250-300 Wh/kg.
Si se utiliza un medio completamente sólido en lugar de líquido, el separador se puede eliminar por completo, y no es necesario preocuparse por el contacto directo de los electrodos positivo y negativo y el cortocircuito, porque el medio sólido puede bloquear físicamente por completo los materiales de los electrodos positivo y negativo, y el problema de las dendritas de litio que perforan la barrera se puede resolver básicamente, lo que garantiza una mayor seguridad. Por lo tanto, las baterías de estado sólido son más seguras y tienen una probabilidad más baja de escape térmico.
Además, la elección de los materiales de los electrodos positivo y negativo es más diversa, y puede ser compatible con electrodos de alta capacidad específica, mejorando enormemente la capacidad de la batería. Por ejemplo, el material del electrodo negativo incluso puede estar hecho completamente de litio: el "contenedor" puede eliminarse por completo, ya que el medio sólido no reaccionará con el litio metálico, y podrá albergar más litio. Además, puede inhibir el crecimiento de dendritas de litio. Debido a que es una interfaz de material duro a material duro, la superficie del electrodo negativo puede ser nivelada a la fuerza, lo que es una de las razones de su alta densidad de energía. En teoría, la densidad de energía de las baterías de estado sólido puede alcanzar 500 Wh/kg, con baterías más pequeñas y una mayor duración de la batería.
Desventajas y desafíos de las baterías de estado sólido
● Baja madurez tecnológica:
La tecnología de baterías de estado sólido en su conjunto aún se encuentra en la etapa de investigación y desarrollo y no ha madurado completamente.
● Alto costo de fabricación:
El costo de fabricación actual de las baterías de estado sólido es relativamente alto, lo cual se debe principalmente a factores como la alta dificultad técnica y la baja eficiencia de producción.
● Problema de impedancia en la interfaz:
El contacto sólido-sólido entre el electrolito sólido y el material del electrodo puede llevar a una mayor impedancia en la interfaz, lo que afecta el rendimiento de carga y descarga de la batería.
● Conductividad del electrolito:
La conductividad de los electrolitos sólidos suele ser más baja que la de los electrolitos líquidos, lo que limita la densidad de potencia y las capacidades de carga rápida de las baterías de estado sólido.
Desarrollo de las baterías de estado sólido
Desde que Sony introdujo las baterías de litio con electrolitos líquidos en dispositivos electrónicos en 1991, las baterías de litio líquidas se han convertido en una de las rutas tecnológicas más maduras y ampliamente utilizadas.
En 2010, Toyota lanzó una batería de estado sólido con un alcance de más de 1,000 km. Los esfuerzos de QuantumScape y Sakti3 también intentan reemplazar las baterías tradicionales de litio líquido con baterías de estado sólido.
Avestor, una empresa canadiense, también intentó desarrollar baterías de litio de estado sólido, pero finalmente se declaró en bancarrota en 2006. Avestor utilizaba un separador de polímero para reemplazar el electrolito líquido en la batería, pero no resolvió el problema de seguridad. Varios incidentes de combustión o explosión de baterías ocurrieron en América del Norte.
A mediados de marzo de 2015, James Dyson, el inventor de la aspiradora y fundador de la compañía británica Dyson, invirtió sus primeros $15 millones en la empresa de baterías de estado sólido Sakti3, una startup de baterías fundada en 2007.
En enero de 2018, una nueva tecnología de baterías parecía estar finalmente acercándose a la realidad. Si cumple con las expectativas, esta nueva tecnología puede satisfacer las necesidades de los adictos a los teléfonos móviles durante varios días y aumentar el alcance de los vehículos eléctricos a más de 500 millas (alrededor de 804 kilómetros). Esta nueva tecnología se llama tecnología de baterías de estado sólido, que reemplaza el electrolito líquido en las baterías actuales con materiales cerámicos.
En enero de 2018, Sakti3 formó una alianza con BMW, que ha prometido proporcionar algún tipo de componentes de baterías para cada producto que produzca en los próximos 10 años, ya sea un híbrido tradicional, un vehículo eléctrico enchufable o un vehículo eléctrico puro (BEV).
El 9 de enero de 2021, NIO lanzó un nuevo paquete de baterías de estado sólido de 150 kWh. Se espera que los vehículos eléctricos de NIO equipados con esta tecnología se entreguen en el cuarto trimestre de 2022, y se espera que su alcance supere los 1,000 kilómetros.
En junio de 2024, la empresa japonesa de componentes electrónicos TDK afirmó que había logrado un avance en los materiales de las pequeñas baterías de estado sólido, lo que se espera que mejore significativamente el rendimiento de pequeños dispositivos electrónicos como auriculares inalámbricos y relojes inteligentes. La nueva batería ofrece una densidad de energía (es decir, la cantidad de energía que se puede comprimir en un espacio dado) de 1,000 vatios-hora por litro (Wh/l), lo que es aproximadamente 100 veces mayor que las baterías producidas en masa de TDK.
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