Estado actual y retos de las pilas de estado sólido
Las baterías de estado sólido, como tecnología de nueva generación de batería de iones de litiose han convertido en un punto caliente de la investigación mundial debido a su alta densidad energética, su elevada seguridad y su funcionamiento en un amplio rango de temperaturas. Sin embargo, a pesar de su enorme potencial, el desarrollo de batería de estado sólido todavía se enfrenta a muchos retos y dificultades científicas. Este artículo profundizará en el estado actual, las ventajas, los avances de la investigación y los retos técnicos de las baterías de estado sólido, y propondrá sugerencias de desarrollo futuro.
¿Qué es una batería de estado sólido?
Una batería tradicional de iones de litio consta de cuatro componentes principales: el cátodo, el ánodo, el electrolito y el separador. Una batería de estado sólido sustituye el electrolito por un electrolito sólido. En comparación con las baterías de iones de litio tradicionales, la diferencia clave de las baterías de estado sólido es que el electrolito pasa de líquido a sólido, lo que equilibra la seguridad y la alta densidad energética.
¿Cuáles son las ventajas de las pilas de estado sólido?
Desde el punto de vista de la comparación de prestaciones, teóricamente, las baterías de estado sólido superan a las líquidas en cuanto a conductividad iónica, densidad energética, resistencia a altas presiones, tolerancia a altas temperaturas y duración de los ciclos. Combinan una alta densidad energética y unas elevadas prestaciones de seguridad que las baterías líquidas de litio tradicionales no pueden alcanzar, lo que las convierte en las las mejores pilas recargables para vehículos eléctricos. Las ventajas de las baterías de estado sólido se reflejan principalmente en:
1. 1. Alta seguridad: La alta seguridad es la principal ventaja de las baterías de estado sólido. En las baterías líquidas tradicionales, el ánodo puede producir dendritas de litio bajo una corriente elevada, que pueden perforar el separador y provocar un cortocircuito interno. Las baterías líquidas utilizan electrolitos orgánicos, que pueden autoinflamarse o incluso explotar en condiciones anormales, como temperatura excesiva o cortocircuitos internos. Las baterías de estado sólido utilizan electrolitos sólidos, que no son inflamables, resisten altas temperaturas, son químicamente inertes y pueden inhibir eficazmente el crecimiento de dendritas de litio. Por lo tanto, las baterías de estado sólido pueden mejorar significativamente la seguridad de las baterías.
2. Alta densidad energética: La densidad energética de las baterías líquidas tradicionales casi ha alcanzado el límite teórico de 350 Wh/kg. Las baterías de estado sólido tienen una amplia ventana electroquímica y pueden soportar voltajes más altos (superiores a 5V), lo que ofrece una gama más amplia de elección de materiales. Así, utilizando materiales de cátodo y ánodo de alta capacidad, la densidad energética puede alcanzar los 500Wh/kg o incluso más, y esto es perfecto cuando actúa como una batería de coche eléctrico
3. Tamaño reducido: Las baterías líquidas tradicionales requieren el uso de separadores y electrolitos, que ocupan casi 40% del volumen de la batería y 25% de su peso. Las baterías de estado sólido utilizan electrolitos sólidos para sustituir a los separadores y electrolitos de las baterías líquidas, reduciendo la distancia entre el cátodo y el ánodo a sólo unos pocos o decenas de micrómetros, lo que reduce significativamente el grosor de la batería. Por tanto, para la misma cantidad de energía, el volumen de las baterías de estado sólido será menor.
Estado actual de la investigación y el desarrollo de pilas de estado sólido
Las baterías de estado sólido se encuentran todavía en fase de investigación y desarrollo, con diversas rutas técnicas centradas en los materiales electrolíticos que aún no se han unificado. En los últimos años, las baterías de estado sólido se han convertido en un foco de investigación mundial, pero muchas rutas técnicas clave para las baterías de estado sólido todavía están en fase de exploración, mostrando una tendencia de desarrollo diversificado.
En términos de rutas técnicas, como material central clave para los sistemas de estado sólido, los materiales electrolíticos tienen actualmente tres rutas técnicas principales: polímeros, sulfuros y óxidos.
En cuanto a la selección de la ruta técnica, las empresas japonesas y coreanas adoptan principalmente la ruta técnica del electrolito sólido de sulfuro, mientras que las empresas chinas adoptan principalmente las rutas técnicas del óxido y el polímero. Las empresas europeas y americanas muestran opciones diversificadas. Por ejemplo, la empresa estadounidense de baterías Solid Power, participada por BMW y Ford, desarrolla principalmente baterías totalmente sólidas basadas en sulfuros, mientras que otra empresa estadounidense de baterías QuantumScape (QS) desarrolla baterías de estado sólido basadas en la ruta del óxido.
Retos científicos de las pilas de estado sólido
A pesar de la atención sin precedentes y de la intensa investigación sobre las baterías de estado sólido, siguen existiendo muchos retos técnicos. La investigación sobre materiales electrolíticos para sistemas totalmente de estado sólido está aún en fase exploratoria, y la tecnología no está aún madura, lo que dificulta su comercialización a gran escala a corto plazo.
Según el contenido de electrolito en el mismo, las baterías pueden dividirse en cuatro categorías: líquidas, semisólidas (contenido de electrolito <10%), cuasisólidas (contenido de electrolito <5%) y totalmente sólidas (sin electrolito). Las tres últimas suelen denominarse colectivamente baterías de estado sólido. Desde el punto de vista de la viabilidad de la producción en masa, las baterías totalmente sólidas no pueden conseguirse de la noche a la mañana, sino que requieren una iteración gradual a través de "semisólido-cuasi-sólido-todo-sólido".
1. Madurez técnica: Desde la perspectiva de las vías técnicas de las baterías de estado sólido, ya se trate de la vía de polímeros, actualmente más madura, o de la vía de sulfuros, más prometedora, la tecnología y el coste siguen siendo los principales factores que obstaculizan la comercialización de las baterías de estado sólido.
La tecnología de las pilas de estado sólido se encuentra todavía en la fase de transición de la tecnología madura a la industrialización, es decir, en la fase de promoción de la tecnología y de verificación de la producción a escala. En principio, se espera que en torno a 2025 la tecnología de las baterías de estado sólido alcance la comercialización y avance gradualmente hacia la siguiente generación de baterías de litio.
2. Aplicabilidad: En comparación con el sistema de batería líquida existente, aunque el sistema de batería de estado sólido tiene muchas ventajas incomparables, es necesario abordar problemas como la baja conductividad iónica de los electrolitos sólidos, la lenta velocidad de carga, el escaso contacto y estabilidad de la interfaz sólido-sólido y la sensibilidad del material del electrolito. La aplicabilidad sigue necesitando mejoras.
3. Las condiciones de industrialización aún no están maduras: En comparación con la madura tecnología existente de baterías de litio líquido, las baterías de estado sólido requieren una enorme revisión de la ya extremadamente compleja cadena de suministro de baterías de litio. Por un lado, el proceso de fabricación es complejo e inmaduro. Debido a rutas técnicas inciertas, el proceso de producción de las baterías de estado sólido es difícil de madurar como el de las actuales baterías ternarias de litio.
Por otro lado, los costes de fabricación son elevados. El proceso de fabricación de las baterías de estado sólido es complejo, y el coste de producción de las baterías de estado sólido que utilizan electrolitos sólidos y otros nuevos materiales tecnológicos es muy superior al de los materiales correspondientes existentes. El camino hacia la reducción de costes es extremadamente arduo y largo. Además, la investigación sobre sistemas de materiales para baterías muestra una enorme distancia entre los resultados de laboratorio y las aplicaciones comerciales.
En la actualidad, hay muy pocas baterías de estado sólido que se hayan sometido a pruebas reales. Con el nivel de proceso y las capacidades de equipamiento existentes, no se puede garantizar el rendimiento de los productos acabados, ni mucho menos alcanzar la fase de producción masiva a gran escala.
Medidas recomendadas
1. Cultivar las demostraciones de aplicaciones típicas y crear un ecosistema abierto para acelerar el aterrizaje de productos.
1.1. En el campo de los vehículos de nueva energía, pilotar gradualmente baterías semisólidas y cuasisólidas para sentar las bases de la transición a las baterías totalmente de estado sólido. 1.2. En el contexto de las rutas técnicas poco claras para el desarrollo industrial, centrarse en rutas técnicas diversificadas para las baterías de estado sólido y esforzarse por la comercialización de baterías totalmente de estado sólido para mantener la posición de liderazgo y el desarrollo sostenible de la industria china de baterías de energía.
1.2. Optimizar las industrias auxiliares, como los sistemas de gestión de la energía y los dispositivos electrónicos de potencia en torno a las baterías de estado sólido, para crear una cadena industrial completa. Estudiar y clasificar el estado actual del desarrollo tecnológico en la cadena industrial, reforzar el apoyo y la orientación, la cooperación industria-academia-investigación, la cooperación ascendente y descendente, y la construcción de una cadena industrial orientada al mercado, formando una fuerza poderosa para abordar las tecnologías clave fundamentales, y reforzar la construcción de toda la cadena industrial para mejorar la competitividad global de la industria.
1.3. Explorar métodos de apoyo financiero para el primer lote de primeras unidades (conjuntos) con el fin de compartir los riesgos para las empresas piloto innovadoras de vehículos con baterías de estado sólido y aumentar su disposición. 1.4. Promover activamente una profunda integración de las finanzas y la industria, reforzar las garantías de los servicios financieros para el campo de las baterías de estado sólido y construir un sólido sistema de servicios financieros tecnológicos para apoyar mejor el ecosistema de la industria de las baterías de estado sólido.
2. Profundizar en la apertura y la cooperación y reforzar el apoyo y la coordinación de los elementos de la cadena industrial.
2.1. Establecer un mecanismo interno de intercambio empresarial y ampliar los esfuerzos de apertura y cooperación. Animar a múltiples empresas e instituciones de investigación mundiales de baterías de estado sólido a establecer relaciones de cooperación, realizar conjuntamente intercambios técnicos mediante formación técnica, aprendizaje por observación y seminarios, y superar las dificultades en el desarrollo de las baterías de estado sólido.
2.2. Integrar los recursos con los líderes de la cadena industrial para promover la coordinación de la cadena industrial y mejorar la madurez de la cadena industrial. Aprovechar las ventajas del nuevo sistema de ámbito nacional, integrar los recursos de innovación, acelerar la reunión de elementos y promover la integración profunda de la cadena industrial y la cadena de innovación.
2.3. Formular normas y mejorar las pruebas y la certificación para establecer normas uniformes para la industria. China debe mejorar rápidamente el diseño de alto nivel, estandarizar el tamaño de las baterías, las pruebas de rendimiento y los indicadores de seguridad, y guiar y animar a las empresas a reforzar el intercambio y la cooperación internacionales en materia de normas para baterías de estado sólido, participar en el proceso de formulación de normas internacionales y construir gradualmente un sistema integral de normas de alto nivel para promover el rápido desarrollo de las aplicaciones de industrialización y comercialización.
Conclusión
