La densidad energética de la batería de estado sólido alcanza los 500 Wh/kg
La NASA ha logrado un gran avance en las baterías de estado sólido
La NASA afirma haber logrado un gran avance en el desarrollo de baterías de estado sólido para la aviación. Según el sitio web de la NASA, la densidad energética del batería de estado sólido desarrollada por la NASA ha alcanzado los 500 Wh/kg, lo que supone casi el doble de la densidad energética de la mejor batería actual para vehículos eléctricos: la batería de litio 4680 de Tesla tiene una densidad energética de 300 Wh/kg.
La batería de estado sólido de la NASA se llama batería de selenio-azufre, que utiliza azufre barato y fácilmente disponible como electrolito, y un material de "grafeno poroso" desarrollado previamente por la NASA, que es conductor y ligero.Como las baterías de litio de estado sólido no tienen electrolito líquido, reducen el riesgo de incendio y explosión de líquidos.
Además, a diferencia de las baterías de iones de litio que vienen en un solo paquete, las baterías de estado sólido de la NASA apilan las celdas unas sobre otras en una sola carcasa, lo que reduce el peso de la batería entre 30% y 40%.
"SABERS ha experimentado con nuevos materiales para baterías que han mostrado notables progresos en la descarga de electricidad. En el último año, el equipo ha conseguido multiplicar por 10 la velocidad de descarga de la batería, y desde entonces por cinco, lo que acerca a los investigadores al objetivo de alimentar vehículos de gran tamaño." afirma la NASA en su comunicado de prensa. Los aviones eléctricos y el programa de movilidad aérea avanzada de la NASA serán los principales beneficiarios de la nueva tecnología de baterías, según la presentación.
La nueva batería de estado sólido puede reutilizarse hasta 10.000 veces
Según informan los medios de comunicación, Li Xin, un profesor chino de la Universidad de Harvard, y Ye Luhan, un estudiante, han desarrollado una nueva batería de estado sólido que puede reutilizarse 10.000 veces y cargarse en tres minutos a la mayor velocidad.En comparación, las mejores baterías de estado sólido funcionan actualmente entre 2.000 y 10.000 ciclos.
Un artículo publicado por el dúo en mayo de 2021 describe el principio de la nueva batería de estado sólido. En el artículo, los investigadores informan de que han fabricado una batería multicapa de litio-metal de estado sólido con estabilidad interfacial, logrando así ciclos estables a densidades de corriente ultraelevadas e inhibiendo la penetración de dendritas.
El diseño multicapa de la batería se caracteriza por intercalar electrolito inestable entre electrolito sólido estable, formando una estructura "sándwich", y al lograr una buena descomposición local de las grietas en la capa de electrolito inestable, se inhibe el crecimiento de cualquier dendrita de litio.
Como se muestra en la figura anterior, de izquierda a derecha, la estructura de la batería "sándwich" se distribuye como electrodo negativo de metal de litio → grafito →LPSCI→LGPS→LPSCI→ electrodo positivo de cristal único LiNi0,8Mn0,1Co0,1O2 (níquelmanganeso Cobalto 811).
El grafito se encuentra entre el ánodo de metal de litio y la primera capa de electrolito sólido, y se utiliza principalmente para el aislamiento térmico. Como se describe en el artículo, el primer electrolito sólido enarenado por ambos lados es Li5.5PS4.5Cl1.5 (LPSCI), que se caracteriza por su comportamiento estable frente al litio metal, pero es propenso a la penetración de dendritas de litio. Su presencia puede estabilizar la interfaz principal entre el metal de litio y las capas de grafito y reducir el sobrepotencial global.
El segundo electrolito intermedio es Li10Ge1P2S12 (LGPS), que es menos estable que el metal de litio, pero no es fácil de penetrar en la dendrita de litio. El electrolito intermedio puede sustituirse por Li9,54Si1,74(P0,9Sb0,1)1,44S11,7Cl0,3(LSPS) para obtener un rendimiento similar.
Las dendritas de litio pueden atravesar el grafito y la primera capa electrolítica, pero son interceptadas cuando llegan a la segunda capa electrolítica. Normalmente, las baterías de estado sólido de metal de litio se cargan y descargan repetidamente, y es frecuente que se produzcan grietas micrométricas o submicrométricas en las partículas cerámicas.
Una vez formadas las grietas, la penetración de dendritas de litio y el cortocircuito son inevitables. La capa de electrolito sólido en el centro del sándwich impide que las dendritas de litio perforen toda la batería, evitando un cortocircuito o incluso un incendio en el ánodo y el cátodo.
La tecnología no sólo mejora la seguridad, sino que también muestra un excelente rendimiento cíclico con litio metálico como electrodo negativo y LiNi0,8Mn0,1Co0,1O2 como electrodo positivo. Con una tasa de descarga de 1,5C (0,64mAcm-2) y 20C (8,6mAcm-2), la tasa de retención de la capacidad alcanzó 81,3% y 82% tras 2000 y 10000 ciclos.
Además, el material del cátodo a escala micrométrica de la batería puede alcanzar una potencia específica de 110,6 kW/kg y una energía específica de hasta 631,1 vatios-hora/kg. Para seguir avanzando en sus investigaciones sobre baterías de estado sólido, los dos investigadores han fundado una empresa de baterías llamada Adden Energy, que este año ha recaudado $5,15 millones.
¿Cuál es la dificultad de industrializar las pilas de estado sólido?
Las baterías de estado sólido no son del todo nuevas. En las baterías tradicionales de litio líquido, los iones de litio pasan de positivo a negativo y luego a positivo, y la batería completa el proceso de carga y descarga. Las baterías de estado sólido funcionan de la misma manera, pero con electrolitos sólidos.
Ya en 2017, Fisker, una empresa estadounidense de vehículos eléctricos con sede en Anaheim, California, publicó una patente para una batería de estado sólido que puede cargarse en un minuto y tener una autonomía de 800k. Su fundador, Henrik Fisker, afirma que la batería de estado sólido de la empresa podría estar lista para la producción en masa en 2023 a un tercio del precio de las baterías de iones de litio convencionales. En 2021, sin embargo, Henrik Fisker anunció que había abandonado por completo el plan de la batería de estado sólido.
Actualmente, la única empresa que ha comercializado baterías de estado sólido alimentadas en todo el mundo es el grupo francés Bollore.En octubre de 2011, el grupo Bollore empezó a instalar baterías de estado sólido fabricadas por BatScap en su coche eléctrico de desarrollo propio "Bluecar" y en su autobús eléctrico "Bluebus". En total, se han puesto en marcha 2900 vehículos eléctricos.
Pero el paquete de baterías de estado sólido sólo tiene una capacidad de 30KWh y una densidad energética de 110 Wh/kg. Desde el punto de vista de la industria, la industrialización de la batería de litio de estado sólido, desde el punto de vista técnico, sigue planteando no pocos retos. El primero es la baja conductividad iónica de los electrolitos sólidos, especialmente a bajas temperaturas. En segundo lugar, la resistencia interfacial en la interfaz sólida del electrodo y el electrolito es alta.
Además, los nuevos materiales, como los negativos de carbono silicio prelitiado o los futuros negativos de litio metálico, los positivos de alto contenido en níquel y los electrolitos sólidos para baterías de estado sólido, subvierten por completo el sistema actual de baterías de litio líquido, el coste de producción es muy superior al de los materiales correspondientes actuales, el camino hacia la reducción de costes es extremadamente arduo y largo.
Existen tres tipos principales de materiales electrolíticos sólidos: polímeros, como el hexafluorofosfato de litio dopado en PEO; óxido, como el óxido de litio-acero-circonio (LLZO), NASICON, etc. Y sulfuro, como LPSX(X=Cl,Br,I). Entre las tres vías de materiales, el sistema polimérico tiene la ventaja de su conductividad iónica a alta temperatura y su fácil procesamiento. Sin embargo, su conductividad iónica es muy baja a temperatura ambiente, lo que limita su desarrollo.
Por ejemplo, la batería de estado sólido francesa Bolore utiliza un sistema de polímeros. Para que el coche eléctrico funcione a temperatura ambiente, el Grupo Bolore equipó especialmente cada coche con un calentador, que calienta el sistema de baterías entre 60℃ y 80℃ antes de arrancar.
La ventaja del sistema de óxido es que el rendimiento global es mejor, pero la resistencia interfacial entre electrodos es mayor que la del sistema de polímero. Entre ellos, los productos de película fina tienen requisitos estrictos en cuanto a tecnología, coste y la producción a escala es muy difícil. Los productos de película no fina son las soluciones de baterías más fiables para los vehículos eléctricos.
La ventaja de los sistemas de sulfuro es que la conductividad iónica es comparable a la de los electrolitos líquidos, que es la vía tecnológica elegida por las empresas japonesas y coreanas Toyota, Honda, Samsung y la china uno de los empresas de baterías de estado sólido CATL. Sin embargo, los sistemas de sulfuro se encuentran en las primeras fases de desarrollo, donde las limitaciones medioambientales y los problemas de seguridad son los mayores obstáculos, y el riesgo de no ser comercializados es el más alto.
Sin embargo, a pesar de las dificultades, todavía se espera que las baterías de estado sólido sean la clave de la densidad energética y la seguridad de las futuras baterías de litio. En la actualidad, más de 50 empresas fabricantes, startups e institutos universitarios de investigación de todo el mundo trabajan para hacer avanzar la tecnología de las baterías de estado sólido.
En Europa y Estados Unidos, BMW Group invirtió $130 millones en la startup de baterías de estado sólido Solid Power, con sede en Colorado, en 2022, con el objetivo de lanzar prototipos de coches con baterías de estado sólido en 2025 y producirlos en serie en 2030.
Mercedes-Benz llegó este año a un acuerdo estratégico con Factorial Energy, una empresa emergente de baterías de estado sólido con sede en Massachusetts, para invertir unos 1.400 millones de euros en investigación y desarrollo de baterías de estado sólido. La empresa empezará a probar prototipos en 2022, con una producción de bajo volumen en cinco años.
Volkswagen invirtió $100 millones en la startup de baterías de estado sólido QuantumScape, con sede en Silicon Valle, en 2018 y otros $200 millones en 2020. Este año, Volkswagen anunció que utilizaría baterías de estado sólido en sus vehículos eléctricos para 2025.
En Japón y Corea del Sur, Toyota se asoció en 2008 con Ilika, fabricante de baterías de iones de litio de estado sólido, y tiene previsto lanzar un coche híbrido de estado sólido en 2025. Mitsubishi, Nissan y Panasonic también están acelerando el despliegue de baterías de estado sólido.
En la actualidad, Toyota cuenta con 1.331 patentes relacionadas con baterías de estado sólido en todo el mundo, ocupando el primer puesto mundial, y Panasonic, con 272, el segundo.
En China, Nio anunció el 9 de enero del año pasado en el Nio Day una batería de estado sólido con una densidad energética de litio de 150 Wh/kg, que prevé producir en serie en el cuarto trimestre de 2022.
Se espera que la primera generación de baterías de iones de litio de estado sólido de la empresa, que tienen aproximadamente la misma energía que las actuales baterías de iones de litio, se lance en 2025, y la segunda generación se espera para después de 2030, según la empresa. Además, la empresa china litio top 100 Empresas como Fueneng Technology, SVOLT y Ganfeng Lithium también han anunciado planes para baterías de estado sólido.
