Avance en baterías： Batería de estado sólido que no utiliza metales raros.
Batería de iones de sodio de estado sólido
Las baterías de sodio de estado totalmente sólido (ASSB) tienen amplias perspectivas de aplicación debido a sus abundantes recursos de sodio y a su altísima densidad energética. Las baterías de sodio de estado sólido han suscitado gran interés por su seguridad, incombustibilidad, estabilidad térmica y bajo precio, y tienen un gran potencial para los sistemas de almacenamiento de energía a gran escala.
Sin embargo, la realización de la aplicación práctica de ASSBs todavía se enfrenta a grandes desafíos, como la falta de una variedad de electrolitos en estado sólido (SEs), la baja conductividad iónica, alta resistencia a la transferencia de carga, problemas interfaciales de SEs, y el crecimiento de dendritas de Na en ASSBs, la aplicación de Na metálico puede mejorar la densidad de energía, y el electrolito sólido también puede suprimir el crecimiento de dendritas.
El desarrollo de electrolitos siempre ha sido el factor que más ha limitado el desarrollo de las baterías de estado sólido. Los SE de alto rendimiento que funcionan a temperatura ambiente deben tener una gran estabilidad química, una elevada conductividad iónica, buenas propiedades mecánicas, compatibilidad interfacial, etc. Existen tres tipos de electrolitos sólidos: los electrolitos poliméricos sólidos (SPE), los electrolitos sólidos inorgánicos (ISE) y sus compuestos.
Los más estudiados son los óxidos, los sulfuros y los borohidruros. Las interfaces cátodo/electrolito y ánodo/electrolito de los ASSB adolecen de un contacto interfacial insuficiente debido a la rigidez mecánica de los contactos. Además, es necesario abordar la formación de dendritas de Na en los ASSB.
No se utilizan metales raros
La popularidad del mercado de vehículos de nueva energía ha provocado un rápido aumento de la demanda de baterías eléctricas. El níquel, el manganeso, el cobalto, el litio y otros recursos, materias primas fundamentales de las baterías, son muy codiciados y sus precios también están subiendo.
Especialmente en el caso de China, impulsado por la fuerte demanda de vehículos de nueva energía, el precio de las materias primas para las baterías eléctricas ha aumentado rápidamente, especialmente el carbonato de litio de calidad para baterías. Su precio a principios de 2021 era de solo 50.000 yuanes/tonelada, y en diciembre de 2021 había subido a 270.000 yuanes/tonelada.
En 2022, a partir de ahora, el precio medio del carbonato de litio de grado de batería ha alcanzado 460.000 yuanes / tonelada, un aumento de más de 9 veces, y esto está a menos de dos meses de romper a través de 300.000 yuanes / tonelada en el Día de Año Nuevo en 2022.
Además, los precios del cobalto para baterías y del sulfato de níquel también han subido en distintos grados. Según los datos, de enero de 2020 a enero de 2022, los precios del cobalto para baterías y del sulfato de níquel subieron 119% y 55%, respectivamente.
El precio de los materiales de las baterías de metales raros se ha disparado, encareciendo cada vez más la batería, los beneficios de los productos de las empresas de vehículos de nueva energía se han reducido mucho y las subvenciones a los vehículos de nueva energía han disminuido.
Al final, las empresas de automóviles de nueva energía siguieron embarcadas en el camino de las subidas de precios, y la consecuencia directa de éstas es que los civiles pagan la factura.
Batería de iones de sodio
La investigación sobre las baterías de iones de sodio se remonta al menos a los años 70, casi al mismo tiempo que la de las baterías de iones de litio. En los últimos años, con la escasez de recursos de litio, las baterías de iones de sodio han vuelto a entrar en el campo de visión de la gente.
Desde el punto de vista de las perspectivas de aplicación, las baterías de iones de sodio tienen amplias perspectivas de desarrollo. En comparación con las baterías de litio, las de iones de sodio tienen las ventajas de contar con abundantes recursos de materias primas, bajo coste, respeto al medio ambiente, buen rendimiento a altas y bajas temperaturas y alta seguridad.
En cuanto a los recursos, las reservas subterráneas de sodio ocupan el sexto lugar y están ampliamente distribuidas. Hay sodio en lagos salados y mares. El desarrollo de baterías de iones de sodio puede reducir eficazmente la dependencia de la importación de recursos de litio.
Todos los electrolitos de estado sólido
En 1980, el científico estadounidense John Goodenough, padre de la pila de litio, propuso el concepto de pila de estado sólido, considerada la forma definitiva de pila.
En comparación con los electrolitos líquidos, los electrolitos sólidos tienen muchas ventajas.
En primer lugar, se ha mejorado mucho la seguridad de la batería, porque el electrolito sólido tiene una gran resistencia mecánica, y no formará fugas, y no se verá afectado por la perforación de dendritas de litio para cortocircuitar la batería, lo que mejora mucho la seguridad de la batería.
Partiendo de la premisa de mejorar la seguridad, se puede intentar utilizar electrodos positivos y negativos con mayor energía. Por ejemplo, el material del electrodo negativo puede utilizar directamente litio metálico, mejorando así la densidad energética de toda la célula.
Además, las baterías de estado sólido no necesitan electrolitos ni separadores, lo que simplifica enormemente la estructura de la batería y favorece su ligereza, que es la dirección futura de las baterías de litio.
Ventajas de todas las baterías de iones de sodio de estado sólido sin uso de metales raros
Alta seguridad
El material de la pila está compuesto en su totalidad por óxidos inorgánicos, por lo que no hay que preocuparse por incendios o sustancias tóxicas durante su uso y fabricación.
Excelente rendimiento de la batería
- Aprovechando la fluidez del vidrio, los electrodos positivo y negativo se combinan con el electrolito sólido para mejorar la conductividad iónica.
- El electrolito sólido tiene buenas características de ciclo.
- La estructura es sencilla y se pueden fabricar baterías de alta densidad energética desarrollando materiales activos de alto potencial.
Recursos abundantes
Al utilizar sodio, un recurso abundante, no hay que preocuparse por el suministro, en comparación con el litio y el cobalto.
Nippon Electric Glass se fundó en 1949 y es famosa por sus productos especiales de vidrio.
En 2017, Nippon Electric Glass comenzó a investigar en baterías secundarias de iones de sodio de estado completamente sólido. El electrodo positivo producido a modo de prueba utiliza una batería de iones de sodio de estado completamente sólido con vidrio cristalizado, que funciona con éxito a temperatura ambiente y que se prevé poner en uso práctico antes de 2025.
En 2018, el Instituto Conjunto de Tecnología Industrial de Nippon Electric Glass, la Universidad Tecnológica de Nagaoka y otros desarrollaron conjuntamente baterías secundarias de iones de sodio.
De una batería tipo moneda a una batería laminada del tamaño de la palma de la mano. El ciclo de vida es de 500 veces, y la tasa de retención de capacidad es de 88%. Alcanzando el nivel de uso de los productos de consumo, Nippon Electric Glass afirmó: "El plan para la producción en masa de baterías utilizadas en vehículos eléctricos en 2025 avanza a buen ritmo".
En 2019, el artículo "Pressureless all-solid-state sodium-ion battery consisting of sodium pyrophosphate glass-ceramic cathode and β″-alumina solid electrolyte composite" publicado por Nippon Electric Glass sobre baterías de sodio de estado completamente sólido se publicó en el Journal of the American Ceramic Society "superior".
En 2021, Nippon Electric Glass anunció el desarrollo de un material de ánodo de vidrio cristalizado, que se ha impulsado con éxito en baterías de sodio de estado totalmente sólido. La batería utiliza abundantes recursos de sodio y hierro como materiales, y tiene un voltaje de salida de 3V, que tiene una alta practicidad comparable a las baterías secundarias de iones de litio.
