En la ola actual de desarrollo vigoroso de nuevas tecnologías energéticas, la batería de estado sólido, como una tecnología de batería de próxima generación muy prometedora, ha atraído una amplia atención de todos los ámbitos de la vida. A medida que los requisitos de las personas para la resistencia de los dispositivos electrónicos y el rango de conducción de los vehículos eléctricos continúan aumentando, y su énfasis en el rendimiento de la seguridad de la batería crece día a día, se espera una batería de estado sólido para abordar muchos puntos de dolor de las baterías tradicionales de iones de litio líquidos en términos de seguridad y rango. Sin embargo, antes de su popularización y aplicación a gran escala, una pregunta clave persiste en la mente de los consumidores: ¿es segura la batería de estado sólido y es capaz de proporcionar a largo alcance? Para responder a esta pregunta, necesitamos profundizar en el mecanismo de trabajo, las características técnicas y la investigación actual y el estado de la aplicación de las baterías de estado sólido.
Principio de trabajo y características estructurales de la batería de estado sólido
La diferencia central entre la batería de estado sólido y la batería de iones de litio líquido tradicional se encuentra en forma de electrolito. Las baterías tradicionales de iones de litio líquidos emplean electrolitos líquidos para lograr el proceso de carga y descarga a través del movimiento de iones de litio entre los electrodos positivos y negativos. En contraste, las baterías de estado sólido utilizan electrolitos sólidos, que generalmente está hecho de materiales de cerámica, polímero o sulfuro. En las baterías de estado sólido, los iones de litio también se desintercalan del electrodo positivo durante la carga e intercalan en el electrodo negativo a través del electrolito sólido; Durante la descarga, se mueven en la dirección opuesta, mientras que los electrones fluyen desde el electrodo negativo hasta el electrodo positivo a través del circuito externo, generando corriente para alimentar el dispositivo.
El uso de electrolitos sólidos dotas baterías de estado sólido con características estructurales únicas. En comparación con el electrolito líquido, que requiere un separador para evitar el cortocircuito entre los electrodos positivos y negativos, el electrolito sólido en sí tiene las funciones duales de conducción de iones y aislamiento de electrodos, lo que hace que la estructura de la batería sea más compacta. Mientras tanto, el electrolito sólido exhibe una mayor estabilidad y es menos propenso a la volatilización y la fuga, lo que establece una base para mejorar el rendimiento de la seguridad de la batería.
Rendimiento de seguridad de la batería de estado sólido
Las baterías tradicionales de iones de litio líquidos representan un riesgo de fugitivo térmico en condiciones de alta temperatura. Cuando la temperatura de la batería excede un cierto umbral, como 80 grados, el electrolito líquido puede descomponerse para producir gases inflamables, y las reacciones laterales dentro de la batería se intensifican, lo que lleva a una acumulación rápida de calor y, en última instancia, hace que la batería se incendia o incluso explote. Los datos de la agencia de pruebas de Tüv alemana revelan claramente este peligro oculto.
Las baterías de estado sólido exhiben ventajas significativas en la estabilidad térmica. Debido a la ausencia de componentes líquidos volátiles y inflamables en el electrolito sólido, su estabilidad térmica es mucho mayor que la del electrolito líquido. La prueba de punción realizada por la nueva Organización de Desarrollo de Tecnología Industrial y Energía (NEDO) de Japón es impresionante: cuando una aguja de acero perfora una batería de estado sólido, la temperatura de la batería solo aumenta en 2 grados, mientras que una batería de iones de litio líquido tradicional se incendiará y explotará en solo 3 segundos. Este resultado experimental demuestra visualmente la seguridad superior de las baterías de estado sólido frente al abuso mecánico extremo.
En un artículo titulado "¿Las baterías de estado sólido son más seguras que las baterías (líquidas) de iones de litio?" Publicado en Science en abril de 2022, los investigadores discutieron la liberación de calor y los límites de temperatura de las baterías líquidas de iones de litio, baterías semisólidas con una cierta cantidad de electrolitos y baterías de estado sólido bajo tres escenarios de fugas térmicos. El estudio encontró que en el estado fugitivo térmico causado por el calentamiento externo, las baterías de estado sólido superan las baterías semisólidas y de iones de litio líquidos. La alta densidad del electrolito sólido en las baterías totalmente sólidas en estado puede formar una barrera de gas efectiva, evitando el contacto entre el litio en el electrodo negativo y el oxígeno liberado del electrodo positivo. En este escenario hipotético, no habría una liberación de calor significativa.
Inhibición del crecimiento de dendrita de litio
Durante el proceso de carga y descarga de las baterías tradicionales de iones de litio líquidos, los iones de litio pueden cristalizar directamente en la superficie del electrodo negativo durante la carga rápida, formando dendritas de litio peligrosas. El crecimiento de las dendritas de litio no solo conduce a la descomposición de la capacidad de la batería, sino que también puede perforar el separador, causando un cortocircuito entre los electrodos positivos y negativos y desencadenando un incidente de seguridad. Este peligro oculto fue revelado por ingenieros de CATL.
Las baterías de estado sólido muestran potencial para inhibir el crecimiento de la dendrita de litio. La estructura especial y las propiedades del electrolito sólido pueden proporcionar una ruta más uniforme para la migración de iones de litio, reduciendo la posibilidad de formación de dendrita de litio. Aunque eliminar por completo el crecimiento de la dendrita de litio todavía plantea desafíos en aplicaciones prácticas, la tendencia de mejora de las baterías de estado sólido a este respecto es evidente en comparación con las baterías líquidas de iones de litio.
Riesgos de seguridad potenciales
A pesar de las muchas ventajas de las baterías de estado sólido en términos de seguridad, no son absolutamente seguras. En ciertos casos extremos, como cuando el electrolito sólido falla o las dendritas de litio penetran el electrolito sólido, causando un cortocircuito, la seguridad de las baterías de estado sólido y las baterías semisólidas no es superior a la de las baterías de iones de litio líquidos. El profesor Ai Xinping de la Escuela de Química y Ciencias Moleculares de la Universidad de Wuhan señala que la afirmación de que las baterías de estado sólido tienen una alta densidad de energía y una buena seguridad en realidad implica un juego de manos conceptual. Debido a que algunos materiales en baterías de estado sólido pueden producir gases tóxicos como el sulfuro de hidrógeno en caso de accidente, aunque no quemarán directamente a personas como las baterías tradicionales, el gas de sulfuro de hidrógeno es tóxico y puede causar daños graves al cuerpo humano.
Potencial de batería de estado sólido en el rango
En teoría, las baterías de estado sólido tienen el potencial de lograr una alta densidad de energía, lo que se espera que mejore significativamente la resistencia de los dispositivos. El electrolito sólido permite el uso de litio metálico puro como electrodo negativo, lo que aumenta significativamente la capacidad de almacenamiento de energía por unidad de volumen. Los datos experimentales del Instituto Qingdao de Bioenergía y Tecnología de Bioprocesos de la Academia de Ciencias de China muestran que la densidad de energía de sus muestras de batería de estado sólido ha excedido las 500w\/kg, mientras que la densidad de energía de la batería 21700 utilizada en el modelo 3 Tesla es de solo 260 °\/kg.
Tomar los vehículos eléctricos como ejemplo, la gama de manejo siempre ha sido un foco de atención del consumidor. La batería de Kunpeng de Chery, como representante de las baterías de estado sólido, planea lograr una densidad de energía de 400wh\/kg en 2024 y aumentarla a 600wh\/kg en 2025. Según el plan, cuando se produce en masa en 2027, se espera que el rango de conducción eléctrica pura exceda los 1500 km. Si se logran estos objetivos, aliviará en gran medida la ansiedad de rango de los usuarios de vehículos eléctricos.
Desafíos en el rango real
Sin embargo, desde el laboratorio hasta las aplicaciones prácticas, las baterías de estado sólido aún enfrentan algunos desafíos en términos de rango. En primer lugar, la impedancia de la interfaz entre el electrolito sólido y los electrodos es relativamente prominente, lo que es similar a establecer una cabina de peaje en una carretera, obstaculizando la rápida transmisión de iones de litio y que afecta la eficiencia de carga y descarga de la batería, impactando negativamente la gama. En segundo lugar, la falla fatal del electrolito de sulfuro, que produce sulfuro de hidrógeno altamente tóxico cuando se expone al agua, no solo aumenta los riesgos de seguridad durante la producción y uso de la batería, sino que también plantea severos desafíos para la estabilidad y confiabilidad de la batería. Además, el bajo rendimiento de la preparación de la película de electrolitos sólidos conduce a altos costos de producción a gran escala, lo que limita la aplicación generalizada de baterías de estado sólido y afecta indirectamente el proceso de demostrar sus ventajas de largo alcance en el mercado.
Conclusión y perspectiva
En resumen, las baterías de estado sólido demuestran un potencial significativo en términos de seguridad y rango. En términos de seguridad, sus ventajas de estabilidad térmica son evidentes, y pueden inhibir efectivamente el crecimiento de la dendrita de litio, lo que las hace más seguras y confiables que las baterías tradicionales de iones de litio líquidos en la mayoría de los casos. Sin embargo, frente a situaciones extremas como la falla de electrolitos sólidos, todavía hay ciertos riesgos de seguridad. En términos de rango, la ventaja teórica de la alta densidad de energía proporciona la posibilidad de largo alcance, y algunos datos experimentales y planes corporativos también muestran perspectivas prometedoras. Sin embargo, en aplicaciones prácticas, temas como la impedancia de la interfaz, los defectos de los electrolitos y el costo se han convertido en obstáculos que obstaculizan la realización completa de sus ventajas de largo alcance.
A pesar de enfrentar numerosos desafíos, las baterías de estado sólido todavía se consideran una importante dirección de desarrollo para las tecnologías de batería de próxima generación.