¿Cuál es la diferencia entre una batería de iones de litio y una batería de litio metal?
Recientemente, SES (antes SolidEnergySystems) anunció la batería híbrida de litio y metal Apollo™ en un evento en línea. La Apollo™ híbrida batería de metal de litio tiene una capacidad de 107 Ah y pesa sólo 0,982 kg, lo que la convierte en la batería de metal de litio más grande del mundo.
Su densidad energética también alcanzó 417 Wh/kg y 935 Wh/L. Esta batería de litio-metal también mostró una alta capacidad y densidad energética en pruebas de descarga realizadas por terceros.
Típico, batería de iones de litio utilizan grafito o silicio como ánodo. En cambio, una batería híbrida de litio y metal utiliza litio como ánodo.
SES dijo que ha firmado un acuerdo de desarrollo conjunto con GM y Hyundai para desarrollar un modelo A de batería de metal de litio , que se pondrá en marcha el próximo año y estará listo para la producción en masa en 2025.
En realidad, éste es sólo el segundo intento de comercializar una batería de litio metálico utilizando un electrolito líquido.
Ruta:batería híbrida de litio y metal
Exploración del electrolito líquido y el electrolito sólido
Las baterías de estado sólido son las baterías de nueva generación más promocionadas. La batería sólida es una batería de litio con un sólido electrolito de batería. Una de las razones para utilizar un electrolito sólido es emplear un ánodo de metal de litio para aumentar drásticamente la densidad energética.
Los primeros intentos comerciales de baterías de litio metálico utilizaron un electrolito líquido.
En 1985, Moli Energy, una empresa canadiense, instaló el primer uso comercial de batería de metal de litio en el teléfono móvil, pero a los seis meses lanzó una retirada mundial debido a una serie de explosiones.
Después de que los científicos no lograran un gran avance en las baterías de litio metálico con electrolitos líquidos, se recurrió a las soluciones de electrolitos en estado sólido.
Aunque la idea del electrolito sólido puede resolver eficazmente el problema de la dendrita de litio, la baja conductividad iónica se ha convertido en otro cuello de botella del desarrollo.
La aplicación del ánodo de metal de litio en la batería secundaria está en apuros.
La aparición de electrolitos de alta concentración
Si tomamos la exploración previa del electrolito líquido y el electrolito sólido como las dos primeras etapas de la aplicación del ánodo de la batería de litio metal, se entrará en la tercera etapa en torno a 2014, cuando se produzca la aparición del electrolito de alta concentración.
Generalmente, los electrolitos tienen dos materiales: sal y disolvente. Los electrolitos convencionales tienen mucho disolvente y muy poca sal. El disolvente en sí es carbonato, que es un material orgánico inflamable e inflamable. La mayor parte del electrolito es inflamable y, por tanto, inseguro.
En cambio, un electrolito de alta concentración tiene mucha sal y poco disolvente.
El electrolito propio de SES hace dos cosas: no es inflamable y mejora la forma de las dendritas de litio.
Según SES, utilizan un electrolito con una alta concentración de disolvente en sal, un electrolito con más sal y menos disolvente. Sólo hay unas gotas de disolvente, y el disolvente es un disolvente inorgánico, no es inflamable. Y la sal no es hexafluorofosfato de litio normal, es una sal nueva con su propia receta.
Es decir, el electrolito sigue siendo líquido, pero el propio líquido ya no es inflamable.
Su electrolito también mejoró la forma de las dendritas de litio.
Con un electrolito convencional, las dendritas de litio tienen formas muy afiladas, muy esponjosas, y las dendritas de litio pueden atravesar la membrana y provocar un cortocircuito en la pila de metal de litio y su explosión.
Con el nuevo electrolito de SES, se siguen formando dendritas de litio, pero su forma cambia por completo, una forma muy redonda, densa y plana. Así no se perfora el diafragma y se provoca un cortocircuito".
Además, tienen una capa protectora sobre el ánodo que hace muy densa la dendrita de litio y luego la compacta. El SES se basa en la idea del electrolito sólido.
Los problemas de dendritas siguen existiendo aunque no estén afiladas o incluso aplanadas. Así que utilizan un tercer enfoque, la supervisión por software. Desarrollaron una plataforma de monitorización de software, monitorizan la seguridad de las baterías de metal de litio 24 horas al día, y predicen el estado de desarrollo de las baterías con antelación según las condiciones de uso, y toman la iniciativa para hacer frente a los peligros potenciales de las baterías.
Cuatro tecnologías básicas de la batería híbrida de litio y metal
La batería de metal de litio SES tiene un total de cuatro tecnologías básicas La primera es el material, es decir, el electrolito, la fórmula y el disolvente dentro del electrolito son completamente desarrollados por ellos mismos, no inflamable, más seguro. También es un líquido muy estable con litio metal.
El segundo es el propio metal de litio. Aunque el litio metálico se compra, es un gran reto fabricar una lámina de litio y un cinturón de litio ultrafinos y ultraanchos. SES está trabajando con varios proveedores para desarrollar el proceso.
La tercera es la fabricación de celdas, en la que SES produce sus propias celdas. La batería de litio metal es similar a la de iones de litio, pero hay muchas diferencias. Esta parte es también su tecnología principal.
El cuarto es el software. SES parte de la producción de células, el control de calidad de las materias primas y la recopilación de datos durante todo el proceso de producción. El software controla el rendimiento de cada célula con gran precisión y predice el riesgo, con hasta un mes de antelación.
La batería híbrida de litio y metal combina la alta densidad energética del litio metálico con el alto rendimiento de fabricación de los iones de litio para aprovechar sus respectivos puntos fuertes.
Ventajas: la batería de litio metálico tiene una densidad energética mucho mayor
La batería de litio metálico tiene un rendimiento similar al de la batería de iones de litio, pero una densidad energética significativamente mayor.
Alta densidad energética
En el caso de utilizar el mismo cátodo que la batería de iones de litio, la aplicación del ánodo de metal de litio puede mejorar significativamente la densidad energética de la batería de metal de litio. Según SES, la batería Apollo™ tiene una densidad energética de 417 Wh/ Kg y 935 Wh/L.
400 Wh/kg es el punto de partida de la densidad energética de las baterías de litio metal, y seguirán optimizándola hasta alcanzar 480 Wh/kg o incluso 500 Wh/kg en función de la demanda en el futuro, lo que supera con creces la densidad energética de las baterías de iones de litio actualmente en el mercado.
¿Qué hay de la seguridad, el rendimiento a baja temperatura y la vida útil?
Mejores prestaciones de seguridad
Tal vez porque ApoloTM acababa de construirse, no había muchos datos de pruebas. Hasta ahora sólo han hecho pruebas de descarga en tres entornos: descarga de 10 horas, descarga de 3 horas y descarga de 1 hora. Según los datos, la densidad energética y el volumen están muy próximos.
SES dio más datos de sus anteriores células pequeñas de 4Ah como referencia.
Según una prueba realizada por terceros, su pequeña pila puede superar las pruebas de aguja, sobrecarga, cortocircuito externo y alta temperatura. En palabras de SES, la batería de litio metálico puede alcanzar prestaciones de seguridad similares a las de la batería de iones de litio.
Mejor rendimiento a bajas temperaturas
También probaron el índice C y el rendimiento a bajas temperaturas. Estas pruebas de la batería de metal de litio demostraron que mantenía una densidad de energía muy alta desde los 40 grados hasta los 30 grados bajo cero, desde una descarga muy lenta -10 horas- hasta una descarga muy rápida -menos de 10 minutos-.
Una célula pequeña puede cargar hasta 4C y descargar hasta 10C.
La batería de metal de litio también se puede cargar rápidamente. Pruebas de terceros demuestran que su batería de metal de litio pasa del 10 al 90 por ciento de carga en solo 12 minutos.
Larga vida útil
En cuanto a la vida útil, los datos de SES muestran que la batería de metal de litio de 3/4 de capa y 250 mAh puede alcanzar 80% capacidad de la batería después de 800 ciclos, y la batería de litio metálico de más de 25 capas y 4,2 Ah puede alcanzar una tasa de retención de la capacidad de 90% después de 550 ciclos.
Todo el proceso de fabricación y la cadena industrial de la batería de metal de litio es muy similar a la batería de iones de litio. 60% del proceso puede ser compartido, pero hay una gran diferencia en la producción del ánodo.células de metal de litio se pueden producir muy bien.
En cuanto al material del cátodo, el material del cátodo de la batería de iones de litio se utiliza según las necesidades de las empresas automovilísticas, que pueden ser ternarias y de fosfato de hierro y litio. Por lo tanto, el rendimiento de la batería mixta de litio y metal es muy similar al de la batería de iones de litio.
Avances en la batería de metal de litio: el próximo año Una muestra, 2025 producción en masa
SES está trabajando con General Motors y Hyundai Motor para lanzar el año que viene una muestra A de batería de litio metálico para vehículos. Planean lanzar la muestra A en 2022, la B en 2023, la C en 2024, y subirse al carro en torno a 2025 para la producción en masa.
SES está construyendo la Gigafactoría de Shanghái, cuya finalización está prevista para 2023, con una superficie total de 30.000 metros cuadrados. La Gigafactoría, situada en la Ciudad Internacional del Automóvil Jiading de Shanghái, tendrá una capacidad de 1 GWh, lo que la convertirá en la mayor planta de baterías de litio metálico del mundo.
De aquí a 2025, SES construirá plantas conjuntas con empresas automovilísticas. El objetivo es empezar a construir plantas de 10 GWh en 2025 y seguir aumentando la capacidad anual hasta 30 GWh en 2028.
Para la disposición de la base de producción, se adopta el principio de lo más cercano a la empresa automovilística.
En opinión de SES, la cadena de la industria de baterías consta de tres pasos. En primer lugar, el desarrollo de materiales, Estados Unidos tiene ventaja;
En segundo lugar, el desarrollo de productos celulares y el desarrollo de ingeniería de producción, que deben situarse en China y Corea del Sur, beneficiándose de las ventajas de la cadena industrial de China y Corea del Sur;
La tercera es la producción. En general, la producción debe estar cerca de la empresa automovilística. Por ejemplo, CATL instala una fábrica en Alemania principalmente para servir a las empresas automovilísticas alemanas. LG y SK crean fábricas en Estados Unidos principalmente para servir a las empresas automovilísticas americanas.
"Si sirviéramos a los fabricantes de automóviles estadounidenses, construiríamos fábricas en Estados Unidos, serviríamos a los fabricantes asiáticos en Asia y a los europeos en Europa".
En el caso de las baterías híbridas de litio y metal, ses confía. A SES le da igual que sea una batería sólida o híbrida. Lo único que les importa son los datos, datos que sean realmente repetibles.La batería de estado sólido, que ya han probado antes, no es ni de lejos tan buena como la batería híbrida de litio y metal en términos de rendimiento y productividad, por eso eligieron la batería híbrida de litio y metal.
Cabe destacar de nuevo que en la actualidad SES proporciona más datos de la célula pequeña de 4 Ah, y que la célula grande de 100 Ah no revelará más datos hasta el año que viene como muy pronto.
Además, como producto totalmente nuevo, la batería híbrida de litio y metal tiene que pasar de la muestra A a la producción en serie, y tiene que superar los grandes obstáculos de la producción en serie, la prueba y verificación de coincidencia con el vehículo, y la aplicación en coches reales. Esperemos a ver si se puede fabricar y cargar en serie con éxito.
