Nueva tecnología en la industria de baterías de iones de litio

El desarrollo de los vehículos eléctricos está en pleno apogeo. Como una de las partes más importantes, el desarrollo de batería de coche de ión litio desempeña un papel decisivo en la resistencia y seguridad de los vehículos eléctricos. Últimamente, oímos a menudo algunos términos de nueva tecnología de baterías, como la batería de estado sólido, la batería de gelatina SVOLT, la batería de níquel 55 NIO, la MI dopada con silicio-litio y la tecnología CTP/CTC, etc.

De hecho, con tantas direcciones técnicas, el propósito fundamental es mejorar la densidad energética y la seguridad de la batería. En este artículo, le llevaremos por el camino asociado a la nueva tecnología de las baterías.

Vías de la nueva tecnología de baterías: aumentar la densidad energética y la seguridad

Si una persona se va de aventura a la naturaleza y su mochila está llena de comida, ¿cómo se consigue que la provisión de alimentos dure más? La forma más fácil de pensarlo es meter en la mochila el mayor número posible de alimentos calóricos y densos, como galletas comprimidas y chocolate. Y otro aspecto es distribuir la mochila de modo que se pueda empacar la mayor cantidad posible de alimentos.

Los ingenieros intentan desarrollar una nueva tecnología de baterías para mejorar la densidad energética de los batería utilizando dos vías similares: el aumento de la densidad celular y el aumento de la densidad del sistema.

Aumentar la densidad celular equivale a hacer que la comida en sí sea más calórica; El aumento de la densidad del sistema equivale a llevar más comida en una mochila. Por supuesto, al tiempo que se mejora la densidad energética, la seguridad es siempre una prioridad absoluta.

¿Qué esfuerzos se están haciendo y qué nueva tecnología de baterías está surgiendo para mejorar su densidad y seguridad? Hablemos ahora de ello en el contexto de las noticias recientes.

¿Hacer la comida más calórica? La nueva tecnología de baterías para aumentar la densidad energética de las células

La pila se compone de tres partes: el cátodo, el ánodo y el electrolito entre el cátodo y el ánodo. La densidad energética se mejora a partir de estos tres aspectos en la nueva tecnología de baterías. Veámoslos uno a uno.

Nueva tecnología de pilas con cátodo de níquel 55 y material monocristalino

Níquel 55

Recientemente, NIO lanzó el paquete de baterías de 100 kWh, que es la batería "sólo humo no se dispara" anunciada anteriormente por CATL, sin cambiar el tamaño de la carcasa del paquete de baterías y casi sin aumento de peso, la densidad de energía aumentó en 37%, y el rango se incrementa en gran medida.

La célula ternaria de níquel 55 de la nueva batería es un factor importante en el aumento de la densidad energética. El material del cátodo es un monocristal de alta tensión. ¿Qué es un monocristal? Antes de responder a esta pregunta, echemos un vistazo a la dirección técnica de los materiales de cátodo.

El llamado batería ternaria de litio se refiere a los materiales catódicos de níquel, cobalto y manganeso (NCM). El níquel se utiliza para aumentar la capacidad, el cobalto para estabilizar la estructura y el manganeso para reducir el coste y mejorar la estabilidad estructural. Cuanto mayor sea la proporción de níquel y menor la de cobalto y manganeso, mayor será la densidad energética, pero menor la seguridad.

Para mejorar la densidad energética, se aumentó la relación NCM de "111 (N:C:M=1:1:1)" a "523" y luego a "811". Esta nueva ruta tecnológica de las baterías ha sido siempre la dirección principal del desarrollo de materiales catódicos ternarios.

Material monocristalino

La dirección opuesta de la nueva tecnología de pilas es el camino del monocristal. El cátodo de la pila recién lanzada utiliza un material de cristal único de 5 series. Los materiales monocristalinos son más adecuados para altas tensiones.

En la actualidad, la mayoría de los materiales ternarios comerciales para cátodos son materiales policristalinos esféricos secundarios de unas 10 micras formados por la aglomeración de partículas primarias de nivel nanométrico. El policristalino y el monocristalino son ambos sílice, la arena de cuarzo es un material policristalino, el vidrio puede considerarse un material monocristalino.

Hay muchos límites de grano en el NCM policristalino. En el proceso de carga y descarga de la batería, debido a los cambios anisotrópicos de la red, el NCM policristalino es propenso al agrietamiento de los límites de grano, lo que provoca la rotura de partículas secundarias, un rápido aumento de la superficie específica y reacciones laterales de la interfaz, con el consiguiente aumento de la impedancia de la batería y una rápida disminución de su rendimiento.

Sin embargo, la nueva tecnología de baterías utiliza materiales ternarios monocristalinos que no tienen límites de grano internos, lo que puede hacer frente eficazmente a la rotura de los límites de grano y a la degradación del rendimiento. Por lo tanto, la estructura de cristal único puede lograr un voltaje más alto, no sólo eso, sino también mejorar la estabilidad del ciclo de materiales ternarios, mejorando en gran medida la seguridad de la batería.

Este es el material del cátodo. Veamos ahora la nueva tecnología de baterías para ánodo.

Nueva tecnología de pilas para ánodos: dopado con silicio y prelitiación

Recientemente, se informó de que IM Motor y CATL están desarrollando conjuntamente una nueva tecnología de baterías de silicio dopado y prelitiación, y ambas partes compartirán las patentes de esta nueva tecnología de baterías.

IM Motor dijo que la densidad de energía de la batería es ahora líder en la industria de nivel superior a 30-40%, el más alto puede lograr aproximadamente 1000 km de autonomía, 200000 km y la atenuación, la batería será enviada a usted por las baterías de aislamiento materiales ignífugos optimización de la fórmula, la tecnología de grupo, y toda la batería de aluminio fundido tecnología de envasado de la cáscara, el BMS nube final de gestión coordinada garantizar la seguridad de la batería.

La densidad energética de la batería es 30-40% superior al nivel actual, líder en la industria, y puede alcanzar una autonomía máxima de unos 1.000 km y una atenuación máxima de 200.000 km.

Esta batería estará aislada y será ignífuga gracias a la optimización de la fórmula del material de la batería y a la tecnología de aislamiento e ignífuga del pack, así como a la tecnología de embalaje de la carcasa de la batería totalmente de aluminio fundido, combinada con la gestión colaborativa de la nube final BMS para garantizar la seguridad de la batería.

¿En qué consiste la nueva tecnología de pilas "dopadas con silicio y prelitadas"?

La densidad del ánodo de grafito de las baterías tradicionales de iones de litio es baja. Con el fin de conseguir una alta densidad, los nuevos materiales de ánodo de carbono de silicio y oxígeno de silicio se han convertido en los nuevos puntos calientes perseguidos por las empresas. Sin embargo, el oxígeno de silicio tendrá una eficiencia baja por primera vez y necesitará rellenar litio (prelitiación).

 En el primer proceso de carga y descarga de la batería líquida de iones de litio, el material del electrodo reacciona con el electrolito en la interfaz sólido-líquido, formando una capa de pasivación que cubre la superficie del material del electrodo. Esta capa de pasivación es una capa interfacial que tiene las características de un electrolito sólido y es un aislante de electrones pero un excelente conductor de Li+.

El Li+ puede incrustarse y liberarse libremente a través de esta capa pasiva, por lo que esta película pasiva se denomina "película de interfaz de electrolito sólido" (película SEI para abreviar) (también se forman películas en el cátodo, pero en la actualidad se cree que su influencia en la batería es mucho menor que la de la película SEI en la superficie del ánodo).

La nueva tecnología de baterías de tecnología de prelitiación de ánodo de carbono de silicio,el ánodo de carbono de silicio se recubre previamente con una capa de metal de litio, que está en estrecho contacto con el ánodo. Tras verter el electrolito, el revestimiento reacciona con el ánodo y se incrusta en la partícula del ánodo.

Una parte de los iones de litio se almacena en el ánodo, para compensar los iones de Li consumidos por la formación o reparación de la película SEI durante la primera carga y descarga o ciclo.

Comparado con la difícil y alta inversión de la prelitiación del ánodo, la prelitiación del cátodo es más simple, la prelitiación típica del cátodo es en el proceso del homogeneizado del ánodo, añadir una pequeña cantidad de material de ánodo de alta capacidad, en el proceso de carga, los elementos redundantes de Li emergen de estos ricos materiales de ánodo de batería de litio, incrustados en el cátodo de complementar la capacidad irreversible de la carga y descarga por primera vez.

Gracias a este complejo proceso de prelitiación, se puede aumentar la densidad del material del ánodo. Aún no se sabe qué tipo de nueva tecnología de baterías utilizará IM Motor, pero es casi seguro que utilizará esta batería de litio de gama alta.

Por último, consideremos el electrolito, el último eslabón en el aumento de la densidad energética de la célula.

Nueva tecnología de pilas electrolíticas - Pilas de estado sólido y pilas de gelatina

Baterías de estado sólido

QuantumScape, una startup respaldada por Volkswagen y Bill Gates, presentó el martes su última batería de estado sólido, que estará en producción en 2024. Estas baterías de estado sólido ofrecen una mejora significativa respecto a las convencionales de iones de litio: pueden aumentar la autonomía de los coches eléctricos en 80%. Veamos en qué consiste esta nueva tecnología de baterías y cuáles son sus ventajas.

A la vez que se mejora la densidad energética de la batería, hay que tener en cuenta su seguridad en cada nueva tecnología de baterías. Eliminar el peligro oculto de la batería de iones de litio radica fundamentalmente en la mejora de la seguridad del material de la batería.

Pero en el caso de los materiales catódicos, estos dos aspectos son contradictorios. Por ejemplo, como ya se ha dicho, aumentar el contenido de níquel aumenta la densidad energética, pero aumentar el contenido de níquel implica menos seguridad.

¿Qué se podría hacer para mejorar la seguridad de las baterías de otras formas que aumentaran la densidad energética de forma más segura? Es entonces cuando se empieza a pensar en los electrolitos.

Un gran número de estudios han demostrado que el electrolito líquido interviene en la mayoría de las reacciones del proceso de fuga térmica de las baterías, y reduce en gran medida la temperatura de reacción inicial de las baterías, es decir, el umbral de fuga térmica se hace más bajo. Por lo tanto, mejorar la seguridad del electrolito es uno de los métodos más eficaces para lograr la seguridad de las baterías.

Las características físicas del electrolito líquido hacen imposible evitar las fugas y, al mismo tiempo, no favorecen la reducción del volumen de la batería y la mejora de la densidad energética. Por ello, para mejorar la densidad energética y la seguridad, el electrolito sólido se ha convertido en una tendencia.

Nueva tecnología de baterías Las baterías de estado sólido son las que tienen electrodos y electrolitos sólidos. Las baterías de estado sólido sin líquido en el interior de la célula no sólo son más seguras, sino que también pueden montarse después en serie y en paralelo, lo que reduce el material utilizado para el embalaje y la carcasa. El diseño del paquete se simplifica enormemente, lo que también mejora la densidad de energía tras el paquete de baterías.

Al igual que las baterías de iones de litio convencionales, las baterías de estado sólido constan de un cátodo, un ánodo y un electrolito. Su estructura es más sencilla que la de una batería convencional de iones de litio, y el electrolito sólido actúa como electrolito y como diafragma.

El material del cátodo no difiere fundamentalmente de la batería de litio tradicional. Los materiales de ánodo son materiales de ánodo de metal de litio, materiales de ánodo de grupo de carbono y materiales de ánodo de óxido.

Para las baterías de estado sólido, la investigación y el desarrollo de electrolitos de estado sólido en esta nueva tecnología de baterías es lo más importante. Hay muchos tipos de materiales, como óxidos, sulfuros, polímeros y electrolitos sólidos compuestos.

Pilas de gelatina

Además del uso a gran escala de baterías líquidas de litio y baterías de estado sólido en fase de investigación, se está vislumbrando una nueva tecnología de baterías, una batería semisólida llamada batería de gelatina. En diciembre de 2020, SVOLT fue el primero en lanzar baterías de gelatina y aceptar pedidos anticipados.

La batería de gelatina es una nueva tecnología de baterías que utiliza un nuevo electrolito gelatinoso que se adapta bien a la superficie del material del electrodo. Es autorreparable, ignífugo y evita la difusión térmica con escasa pérdida de conductividad. La batería de gelatina es una transición de la batería líquida a la batería sólida.

¿Cómo embalar más? La nueva tecnología de baterías para pack con mayor densidad de sistema

Además de aumentar la densidad energética de las baterías, una forma de la nueva tecnología de baterías para aumentar la densidad energética de las baterías es empaquetar más celdas en un paquete del mismo tamaño y peso. He aquí una breve introducción a la relativamente nueva tecnología actual de baterías para pilas.

Nueva tecnología de baterías para eliminar el embalaje interno - (CTP)

Generalmente, las baterías no sólo tienen paquetes de pilas externamente, sino que también tienen "módulos" formados por un grupo de células internamente. La nueva tecnología de baterías denominada CTP es desmodular, y las celdas se empaquetan directamente.

Actualmente, es una de las principales opciones de las empresas para mejorar la densidad energética. CATL, BYD y SVOLT han lanzado una nueva tecnología de batería desmodular. La batería BYD blade caliente se basa en la batería de litio hierro fosfato, utilizando un diseño de-modular para mejorar la utilización del espacio.

Nueva tecnología de baterías para eliminar el embalaje interno y externo -(CTC)

En el Día de la batería de Tesla, se propuso una batería estructural, integrada directamente en la estructura del ca. Esta nueva tecnología de batería estructurada es similar a la tecnología CTC propuesta anteriormente por CATL, que integra la célula de la batería y el chasis juntos, y luego integra el motor, el control eléctrico y el sistema de alta tensión del vehículo juntos a través de una arquitectura innovadora, y optimiza la distribución de energía y reduce el consumo de energía a través del controlador inteligente de dominio de potencia.

Conclusión

Con la introducción anterior, creo que ya conocen en cierta medida la nueva tecnología de las baterías. Aunque todavía tenemos que esperar pacientemente a que se comercialicen las baterías totalmente de estado sólido, creemos que en un futuro próximo podremos experimentar la nueva tecnología de baterías que ya se ha desarrollado, como las baterías de estado semisólido, los materiales monocristalinos de cátodo y la tecnología de prelitiación dopada con silicio.