Batería de estado sólido para VE: estado de desarrollo y perspectivas de futuro
¿Qué es una batería de estado sólido?
Las baterías de litio se componen principalmente de materiales catódicos, materiales anódicos, electrolitos y separadores. Hay dos tipos de electrolitos: líquidos y sólidos. En la actualidad, las baterías de iones de litio utilizan principalmente electrolitos líquidos de disolventes orgánicos.
En la actualidad, el rendimiento global de las baterías de litio líquido, ya se trate de baterías de litio-hierro-fosfato o de baterías ternarias de litio, casi ha alcanzado su límite con el apoyo de diversas tecnologías, y cada vez resulta más difícil realizar nuevos avances tecnológicos.
Bajo los requisitos de una mayor seguridad y densidad energética, batería de estado sólido . Las baterías de estado sólido utilizan electrolitos de estado sólido de gran conductividad iónica y estabilidad para sustituir a los electrolitos orgánicos inflamables y explosivos.
Al mismo tiempo, en cuanto a los materiales del cátodo y el ánodo, las baterías de estado sólido pueden seguir utilizando el sistema de materiales de las baterías de litio líquido, y hay más margen de mejora. En comparación con las baterías de litio líquido tradicionales, las baterías de estado sólido tienen las ventajas de una alta densidad energética, una gran seguridad y una larga vida útil.
Según la diferencia en el contenido de electrolito líquido en la batería, las baterías de estado sólido pueden dividirse en tres tipos: de estado totalmente sólido, de estado casi sólido y de estado semisólido. Entre ellas, la batería de estado completamente sólido no contiene ningún electrolito líquido, el porcentaje de masa del electrolito líquido de la batería cuasi sólida es inferior a 5%, y el porcentaje de masa del electrolito líquido de la batería semisólida es inferior a 10%.
Tipos de batería de estado sólido ev
En la fase actual, la industria de las baterías de estado sólido aún no ha llegado a un consenso sobre la ruta técnica de las baterías de estado sólido. En función de los distintos electrolitos, las baterías de estado sólido más corrientes en el mercado pueden dividirse en tres vías técnicas: polímeros, óxidos y sulfuros.
Tres grandes vías tecnológicas y características de las pilas de estado sólido:
| Tipo de electrolito sólido | Conductividad iónica | Ventajas | Desventajas | Dirección de la investigación |
|---|---|---|---|---|
| Electrolito sólido polimérico | Temperatura ambiente: 10-7~10-5S/cm; 65-78℃: 10-4S/cm | Buena flexibilidad, fácil preparación a gran escala, bajo módulo de cizallamiento de la película, sin reacción con el metal de litio. | Baja conductividad iónica, baja tensión de oxidación (<4V) | Mezclar, copolimerizar o entrecruzar PEO con otros materiales para formar un sistema híbrido orgánico-inorgánico que mejore el rendimiento. |
| Electrolito sólido de óxido | 10-6~10-3S/cm | Alta estabilidad química y electroquímica, buenas propiedades mecánicas, alto potencial de oxidación electroquímica | Mal contacto de la interfaz | Mejorar la conductividad eléctrica: sustituir elementos o dopar con el mismo tipo de elementos heterovalentes. |
| Electrolito sólido de sulfuro | 10-7~10-2S/cm | Alta conductividad eléctrica (comparable a la del electrolito líquido), buenas propiedades mecánicas, baja impedancia del límite de grano. | Fácil de oxidar, sensible a la humedad | Mejorar la estabilidad del electrolito, reducir los costes de producción, dopaje de elementos para jugar un efecto sinérgico de cada elemento. |
- Polímero
El polímero es el primero en promover la aplicación comercial entre las tres vías técnicas, pero no ha formado una tendencia. La ventaja del polímero es que es fácil de procesar, compatible con el equipo de producción existente y el proceso del electrolito líquido, tiene buenas propiedades mecánicas y es relativamente blando. Pero sus defectos también son fatales.
Estado sólido batería de polímero de litio necesita cargarse y descargarse normalmente a una temperatura elevada de 60℃, y el propio polímero tiene poca estabilidad química, por lo que no puede aplicarse a batería de alto voltaje materiales catódicos (como el cobalato de litio, el ternario de alto contenido en níquel, etc.). Además, la seguridad térmica de los polímeros no es fuerte, y puede producirse fuego o incluso combustión a altas temperaturas.
Europa es la primera región que promovió la industrialización de las baterías de polímero de estado sólido, pero en la actualidad se está volcando gradualmente en la inversión. Famosos fabricantes de automóviles europeos han invertido muchas veces en empresas mundiales de baterías. Volkswagen, BMW, Mercedes-Benz, etc. han invertido en las correspondientes empresas de nueva creación para luchar por la competitividad en la próxima generación de baterías de estado sólido.
- Sulfuro
Japón y Corea del Sur apuestan por la vía del sulfuro. El sulfuro tiene la conductividad más alta entre los tres sistemas de materiales, y posee una amplia ventana de estabilidad electroquímica (por encima de 5V). Sin embargo, la estabilidad termodinámica de los sulfuros es muy pobre, y cómo mantener una alta estabilidad es un gran problema. Además, los sulfuros siguen sin poder evitar la generación de dendritas de litio.
A nivel de producción, como el sulfuro reacciona fácilmente con el agua y el oxígeno del aire para producir gas sulfhídrico altamente tóxico, el proceso de preparación de las baterías de estado sólido de sulfuro es relativamente complicado. En general, el sulfuro tiene el mayor potencial entre todas las baterías de estado sólido, y muchas empresas líderes en baterías de energía (Toyota, Honda, LG, etc.) lo eligen como principal vía tecnológica.
- Óxido
En la fase actual, China se está centrando en la ruta del óxido. El óxido tiene buena conductividad y estabilidad, estabilidad térmica de hasta 1000℃, y buena estabilidad mecánica y electroquímica. Sin embargo, en comparación con los sulfuros, la conductividad de los óxidos sigue siendo baja, lo que hace que el rendimiento de las baterías de óxido de estado sólido se enfrente a una serie de problemas, como la capacidad limitada y el rendimiento de la tasa.
Además, las duras características de los óxidos hacen que las baterías de estado sólido fabricadas con óxidos sean baterías con una porosidad muy elevada, y estos poros no pueden conducir el litio.
Por lo tanto, la batería de óxido de estado sólido desarrollada actualmente en China va en realidad en la dirección de la mezcla sólido-líquido, tanto con la capa de electrolito sólido del óxido como con la infiltración del electrolito, que puede llenar los poros y permitir que tenga un canal conductor de litio completo.
Varias empresas de baterías de estado sólido de China (Beijing Welion, Jiangsu Qingtao, Ningbo Ganfeng y Taiwan Huineng) han optado por la vía de la tecnología de mezcla sólido-líquido basada en materiales de óxido.
Estado de desarrollo de la batería de estado sólido ev
Las baterías de estado semisólido de China han alcanzado el nivel líder del sector, y las baterías de estado totalmente sólido aún tienen que abrirse paso. Dado que los problemas técnicos y de proceso de las baterías de estado totalmente sólido aún no se han resuelto por completo, las empresas chinas de baterías suelen optar por la vía de desarrollo gradual de "de líquido a semisólido y a todo sólido".
Las empresas automovilísticas chinas están cooperando activamente con empresas de baterías de estado sólido, como NIO cooperando con Welion New Energy, BAIC, SAIC y GAC invirtiendo en Qingtao Energy, etc. La entrada de las empresas automovilísticas proporciona a las empresas de baterías múltiples garantías en términos de capital, tecnología y clientes, y acelera la comercialización de las baterías semisólidas.
En la actualidad, la tecnología de baterías semisólidas de muchas empresas chinas ha alcanzado el nivel de liderazgo internacional.
Japón llevó a cabo antes la planificación y el diseño de las baterías totalmente de estado sólido, y actualmente ocupa una posición de liderazgo tecnológico a nivel mundial. Desde una perspectiva global, Japón, Corea del Sur y otros lugares tienen una gran capacidad de innovación y desarrollo de baterías.
Desde el año 2000 hasta finales de marzo de 2022, en cuanto al número de patentes relacionadas con las baterías de estado sólido en el mundo, la surcoreana Samsung Electronics ocupa el cuarto lugar mundial, y las 5 restantes son empresas automovilísticas japonesas, de las cuales Toyota Motor (Toyota Motor) ocupa el primer lugar, con 1331 patentes conocidas, que triplica el número de patentes del segundo lugar.
Toyota lleva investigando la batería de estado sólido ev desde la década de 1990, y cuenta con una amplia gama de patentes de aplicación, desde la estructura de la propia batería hasta materiales y procesos de fabricación. De 2016 a 2020, el número de patentes de Toyota ha aumentado en unos 40%, y Japón se ha convertido en el país con más patentes de tecnología de baterías de estado sólido ev.
Las perspectivas de industrialización de las baterías semisólidas son prometedoras. En comparación con las baterías líquidas, el sistema de materiales de las baterías semisólidas ha cambiado menos, y se siguen utilizando separadores y electrolitos líquidos. Reduciendo el contenido de electrolito líquido dentro de la batería, se puede mejorar en cierta medida la energía específica y la seguridad de la batería.
La mayoría de sus métodos de preparación siguen la tecnología tradicional de las baterías de iones de litio y la tecnología de los equipos. Gracias a la madurez de la cadena industrial china y a su gran disposición a utilizar nuevas tecnologías, el proceso de industrialización de las baterías de estado sólido ev en China es relativamente rápido.
La producción masiva de baterías totalmente de estado sólido es difícil de conseguir a corto plazo. Por un lado, aún quedan dificultades técnicas por superar en las baterías totalmente de estado sólido. Por ejemplo, la conductividad iónica de los electrolitos de estado sólido es mucho menor que la de los electrolitos líquidos, lo que provoca un aumento significativo de la resistencia interna de la batería, un rendimiento deficiente del ciclo de la batería y un rendimiento deficiente de la tasa.
Por otro lado, su elevado coste limita seriamente la comercialización de las baterías de estado sólido. Además, la industria de las baterías de estado sólido aún no reúne las condiciones básicas para la producción a gran escala:
- Los equipos relacionados con las baterías de estado sólido y las materias primas clave aún no han formado una escala;
- Aún no se ha establecido a escala mundial un sistema estándar para las baterías de estado sólido;
- Las empresas de vehículos eléctricos de primera clase del mundo no han llevado a cabo la prueba y verificación del emparejamiento de las baterías de estado totalmente sólido y los vehículos completos.
Perspectivas del sector de las baterías de estado sólido para VE
El enorme potencial de mercado de las baterías de estado sólido ev
Las baterías de estado sólido tienen ventajas incomparables sobre las líquidas en términos de densidad energética y seguridad. El avance de la tecnología de las baterías de estado sólido y la mejora de la madurez de los productos no sólo satisfacen la demanda del mercado de altas prestaciones, seguridad y sostenibilidad, sino que también hacen que siga aumentando la confianza del mercado de capitales en el sector.
Bajo el optimismo de la industria y la disposición multipartita, se espera que la industria de las baterías de estado sólido logre un rápido desarrollo. Las agencias pertinentes predicen el futuro mercado de las baterías de estado sólido, y se espera que 2023 se convierta en el primer año de las baterías de estado semisólido, y se espera que forme inicialmente una escala para 2026.
Según información pública, muchas empresas de automóviles de nueva energía de todo el mundo han anunciado que empezarán a cargar baterías semisólidas en pequeños lotes en 2023. Las principales empresas automovilísticas mundiales, como BMW, Mercedes-Benz, Volkswagen y Toyota, tienen previsto lanzar vehículos eléctricos equipados con baterías de estado sólido en torno a 2025.
Fabricantes de automóviles como Deepal, immotors, GAC Aion e Hiphi prevén en general instalar baterías semisólidas en los vehículos de aquí a 2025. Con el desarrollo tecnológico de las baterías semisólidas y la creciente demanda de vehículos eléctricos, se espera que el índice de penetración en el mercado de las baterías semisólidas se acerque a 5% en 2026.
Nuevas oportunidades industriales gracias a la batería de estado sólido ev
El desarrollo de la batería de estado sólido ev puede tener cierto impacto en la cadena industrial existente y en todo el sistema industrial, pero también aporta nuevas oportunidades y espacio de desarrollo para las industrias relacionadas.
- Detección y evaluación: Debido a las diferentes características de las baterías de estado sólido, es necesario desarrollar nuevos métodos y equipos de detección para evaluar el rendimiento, la seguridad y la estabilidad de las baterías.
- Equipo de producción: El proceso de producción de las baterías de estado sólido ev es diferente al de las baterías de líquido tradicionales, por lo que es necesario desarrollar y mejorar los equipos de producción pertinentes.
- Eficacia de la producción: Durante el proceso de producción de una pila de estado sólido, en comparación con las pilas líquidas, existen diferencias de temperatura, presión, etc., que pueden repercutir en la eficiencia de la producción y el consumo de energía. que pueden influir en la eficacia de la producción y el consumo de energía.
- Evolución del sistema industrial: La industria tradicional de fabricación de baterías necesita una transformación y un ajuste para adaptarse a la tendencia de desarrollo de las baterías de estado sólido ev. Al mismo tiempo, la aplicación de la batería de estado sólido ev impulsará el desarrollo de cadenas industriales relacionadas, como proveedores de materiales, fabricantes de equipos, integradores de sistemas, etc., para formar un nuevo ecosistema industrial.
El impacto de la tecnología de baterías de estado sólido en la industria de los vehículos eléctricos
En la actualidad, los fabricantes de automóviles de gama media-baja se inclinan más por las baterías líquidas tradicionales. Por un lado, el coste de las baterías de estado sólido sigue siendo elevado, lo que limita su aplicación en el mercado de coches de gama media-baja.
Los coches de gama media y baja suelen centrarse en la rentabilidad y la competitividad de precios, por lo que, para estos fabricantes, la adopción de la tecnología de baterías de estado sólido puede aumentar los costes del producto, afectando así a la competitividad del mercado. Por otro lado, la tecnología de las baterías de estado sólido es relativamente nueva en comparación con las baterías de líquido tradicionales, y su fiabilidad y estabilidad técnicas aún están por verificar.
Los fabricantes de automóviles de gama media y baja tienden más a adoptar tecnologías probadas y relativamente maduras para reducir los riesgos técnicos. Los fabricantes de automóviles de gama alta adoptarán más rápidamente la tecnología de baterías de estado sólido. En comparación con los coches de gama baja y media, los consumidores del mercado de coches de gama alta prestan más atención a la innovación tecnológica y al contenido tecnológico.
La tecnología de baterías de estado sólido tiene las ventajas de la alta densidad energética, la seguridad y la carga rápida, lo que se ajusta más a la demanda de alto rendimiento del mercado automovilístico de gama alta. Cabe señalar que, con el continuo desarrollo de la tecnología de baterías de estado sólido y una mayor reducción de costes, también se espera que se promueva en el mercado de automóviles de gama baja y media.
Con la madurez de la tecnología y la expansión de la escala comercial, se espera que la tecnología de baterías de estado sólido tenga un profundo impacto en toda la industria del automóvil en el futuro.
