Análisis de la industrialización de la batería de iones de flúor

Según los medios de comunicación japoneses, las baterías de iones de flúor no sólo son más nuevas y pequeñas que las de iones de litio, sino que también tienen una densidad energética de 6 a 7 veces la de las baterías de iones de litio, y una autonomía de crucero de más de 1.000 kilómetros. Basándose en el estado de la investigación de la batería de iones de flúor, este post analiza la futura dirección de desarrollo de la batería de iones de flúor, y analiza el valor comercial de la batería de iones de flúor.

Comparación entre batería de iones de flúor y batería de iones de litio

La producción mundial anual de flúor supera los 3,5 millones de toneladas, y el volumen de extracción es mayor que el de los recursos de litio. Del mismo modo, la distribución de los recursos de flúor es más amigable que la de los de litio. La abundancia de flúor en la corteza terrestre es unas 50 veces superior a la de litio, y la presión sobre el suministro de materias primas es mucho menor que la de las baterías de iones de litio. La cadena industrial del flúor también está más madura, lo que favorece el desarrollo del FIB.

Además, el flúor puede formar una reacción redox multielectrónica con otros elementos para producir una mayor densidad energética en volumen y peso, y la ausencia del fenómeno de dendritas también favorece la mejora de la seguridad de la batería. Todo parece indicar que la batería de iones de flúor está más en consonancia con los requisitos sociales y la demanda del mercado como batería energética.

Avances en la investigación de materiales para electrodos de pilas de iones de flúor

Desde la perspectiva de los primeros principios, el rendimiento de cualquier tipo de batería viene determinado principalmente por las propiedades físicas y químicas del material del electrodo, y la batería de iones de flúor no es una excepción. Cuando la pila libera energía eléctrica, los electrones se desplazan desde un material con un nivel de Fermi alto (ánodo) a otro con un nivel de Fermi más bajo (cátodo).

Al mismo tiempo, los iones de flúor escapan del material del electrodo positivo y se desplazan al electrodo negativo, y finalmente se intercalan en el material del electrodo negativo para mantener neutra la carga de la pila. A la hora de diseñar una batería de iones de flúor, hay que tener en cuenta en primer lugar la densidad energética, la reversibilidad de la reacción de (des)fluoración y la viabilidad de la industrialización.

Para que el rendimiento de la batería de iones de flúor supere al de la batería de iones de litio en todos los aspectos, los materiales de electrodo utilizados para la batería de iones de flúor deben: en primer lugar, elegir materiales con un peso molecular lo más bajo posible; en segundo lugar, la diferencia de potencial entre los materiales de electrodo positivo y negativo debe ser lo más alta posible dentro de la ventana electroquímica del electrolito;

En tercer lugar, el material del electrodo debe tener una buena capacidad para intercalar y desintercalar iones de flúor, preferiblemente el material con el menor cambio de volumen después de la fluoración y defluoración, para aliviar los problemas internos que conducen a la pulverización, la pérdida de contacto entre el material activo y el electrodo, y la degradación de la interfaz electrodo/electrolito. estrés;

Cuarto, el material activo debe presentar poca o ninguna solubilidad en el electrolito para evitar la autodescarga y la pérdida de capacidad; Quinto, el material activo del electrodo también debe tener un cierto grado de conductividad. Los materiales de electrodo con buena conductividad pueden reducir la dificultad de procesamiento y la cantidad de aditivos conductores añadidos. Después de cumplir las condiciones anteriores, también es necesario tener un coste razonable y un suministro fiable para garantizar la competitividad tecnológica. En la actualidad, la mayor parte de la investigación se basa en materiales de electrodos de reacción de conversión y materiales de electrodos de reacción de desintercalación.

Materiales de electrodo basados en reacciones de conversión: El primer concepto de batería de iones de flúor se propuso basándose en este tipo de materiales. Cuando la batería de iones de flúor compuesta por este tipo de materiales se encuentra en estado de descarga, el electrodo positivo está compuesto principalmente por metal y el negativo por fluoruro metálico.

Existen muchos tipos de fluoruros metálicos. Para cumplir los requisitos de las baterías de iones de flúor, primero hay que considerar la capacidad de los fluoruros para conducir iones de flúor. Entre los muchos fluoruros metálicos, hay dos tipos de materiales que merecen atención. Cuando aumenta la temperatura, la conductividad de los iones fluoruro es mayor, principalmente fluoruros cúbicos de metales alcalinos, como CaF2, BaF2 y SrF2;

El otro tipo se basa en la estructura de la ilmenita con el grupo de puntos P3c1. Este tipo de material se compone principalmente de fluoruros de tierras raras como LaF3, CeF3 y NdF3. Generalmente, los iones de fluoruro en el material pueden aumentarse dopando iones metálicos de conductividad.

De acuerdo con el potencial, estos materiales se suelen utilizar como materiales de electrodo negativo para las baterías de iones de flúor, entre los cuales el CaF2 se considera un material de electrodo negativo potencial por razones de potencial y coste. Existen relativamente pocos materiales de electrodos positivos que puedan utilizarse como baterías de iones de flúor. Por el momento, son pocos los materiales de electrodos negativos que muestran una elevada conductividad de los iones flúor.

Se ha demostrado que la solución sólida formada al introducir BiF3 en PbF2 tiene una alta conductividad iónica, y los materiales de electrodos positivos que se suelen estudiar son principalmente NiF2, FeF3, SnF4, CuF2, PbF2, BiF3, etc.

Entre ellos, el CuF2 es el más investigado. Recientemente, se han hecho algunos progresos en la investigación de fluoruro de Ni y Co. La vida de la batería completa en la batería de fluoruro de estado sólido a 150 ° C supera la vida de ciclo de CuF2 como material de electrodo positivo. Según algunos informes de investigación, para mantener un buen rendimiento de ciclo de la pila completa, la densidad de corriente de la pila suele ser extremadamente pequeña.

Materiales de electrodo basados en reacciones de desintercalación: Este tipo de material está atrayendo cada vez más atención debido a su alto potencial positivo de electrodo y su bajo cambio de volumen. Las reacciones de desintercalación suelen presentar una conductividad iónica y una vida útil superiores a las de las reacciones de conversión.

Normalmente se requiere una temperatura elevada (140-200 °C) para potenciar la reacción de desintercalación de los iones fluoruro en la fase sólida, y la reacción de intercalación del fluoruro se ha demostrado experimentalmente en todos los batería de estado sólido. Sin embargo, algunos informes han demostrado que algunos materiales también pueden lograr la reacción de desintercalación de iones fluoruro a temperatura ambiente.

En comparación con los compuestos convertidos, no hay indicios claros de que los compuestos defluorados sean menos compatibles con los electrolitos líquidos dentro de un rango de potencial razonable. Sin embargo, a potenciales elevados, el fluoruro incrustado en la red de óxido del cátodo puede plantear problemas de seguridad debido al riesgo de liberación de oxígeno y descomposición exotérmica.

Avances en la investigación del electrolito de las baterías de iones de flúor: De hecho, el electrolito sólido utilizado en la batería de iones de flúor tiene muchos problemas además de la interfaz sólido-sólido. En primer lugar, a menudo se requieren altas temperaturas (>140°C) para funcionar, e incluso a estas temperaturas presentan una conductividad iónica relativamente baja; En segundo lugar, los electrolitos sólidos básicamente no son bien compatibles con la mayoría de los materiales de conversión;

En tercer lugar, la alta densidad del electrolito sólido reduce significativamente la energía específica de la batería sólida, como La0,9Ba0,1F2,9 sustituyendo al electrolito líquido, lo que reduce la densidad energética de la batería en unos 42%-46%, incluso si se pudiera fabricar una capa de electrolito sólido funcional con un espesor de 20 mm, su densidad energética seguiría siendo casi 35% inferior a la de una batería líquida similar.

Ahora la investigación sobre el electrolito de la batería de iones de flúor debe centrarse en mejorar el electrolito líquido, y la investigación sobre el electrolito líquido de la batería de iones de flúor debe centrarse en eliminar la influencia del hidrógeno, a juzgar por la investigación actual, no se ha encontrado una buena solución. Al mismo tiempo, al mejorar el efecto de solvatación de los iones de flúor, también se reducirá la conductividad de los iones de flúor. Algunos investigadores propusieron desarrollar electrolitos líquidos de fluoruro optimizados utilizando ácidos de Lewis más débiles como aditivos de solvatación de F combinados con estrategias de formación de SEI.

Evaluación técnica y económica de la batería de iones de flúor

La batería de iones de flúor se promociona por su densidad energética volumétrica y gravimétrica teóricamente alta. Algunos estudiosos realizaron un análisis económico de esta tecnología construyendo un modelo, y compararon la batería de iones de flúor basada en la reacción de conversión y la de tipo embebido con la LIB. El modelo muestra que la batería de iones de flúor basada en la reacción de conversión puede alcanzar una densidad energética superior a la de la batería de iones de litio NMC811, con el potencial de un coste inferior. Para lograr este objetivo, es crucial desarrollar con éxito el electrolito líquido de iones de flúor.

En comparación con la reacción de conversión, la batería basada en iones de flúor embebidos no presenta ninguna ventaja en cuanto a densidad energética, y la densidad energética de la batería de iones de flúor que utilice este tipo de material en el proyecto no superará los 292Wh.kg -1. Las futuras baterías de iones de flúor basadas en reacciones de desintercalación podrían proporcionar una alternativa de menor coste a las baterías de iones de litio; sin embargo, si el coste del electrolito supera $33/kg, resulta completamente antieconómico.

Conclusión

En teoría, como tecnología de almacenamiento con mayor densidad energética, la batería de iones de flúor tiene buenas perspectivas de desarrollo. La sustitución del litio por flúor puede reducir en gran medida el coste de la tecnología de almacenamiento de energía mediante el uso de materiales de mayor abundancia. Desde la perspectiva de la tecnología y la economía, la batería de iones de flúor basada en la conversión es fácil a la batería de litio en términos de densidad de energía, y tiene una gran ventaja de costes.

Sin embargo, que esta atractiva batería de iones de flúor pueda comercializarse depende en última instancia de la comercialización de electrolitos líquidos de flúor. La investigación futura sobre baterías de iones de flúor debería centrarse principalmente en el desarrollo de electrolitos líquidos seguros. A juzgar por la investigación actual, este tipo de electrolito líquido que puede utilizarse para la batería de iones de flúor se encuentra todavía en fase de investigación, y no se ha logrado ningún avance. Se puede predecir que la comercialización de la batería de iones de flúor todavía tiene un largo camino por recorrer.

Para más comparaciones entre las nuevas tecnologías de baterías y las baterías de litio, consulte batería de litio frente a batería de sodio, batería de estado sólido frente a la de litio artículos.