Baterías de estado sólido: ¿Cuándo se convertirán los "sustitutos" en "pilares"?

Baterías de estado sólidoestán surgiendo como la fuente de energía de próxima generación, pero es probable que las baterías híbridas sólido-líquido se comercialicen primero y actúen como un puente crucial entre las celdas de iones de litio líquidos actuales y los futuros sistemas totalmente de estado sólido.

¿Qué son las baterías de estado sólido?

Las baterías de estado sólido reemplazan los electrolitos líquidos inflamables con materiales sólidos al tiempo que permiten una mayor densidad de energía y un mejor rendimiento de seguridad. Sus cátodos pueden utilizar materiales de alta energía, como compuestos a base de manganeso ricos en litio, mientras que el ánodo puede combinar nanosilicio y grafito para impulsar la densidad de energía entre 300 y 450 Wh/kg.

Un electrolito sólido transporta iones de litio sin riesgo de fugas y reduce significativamente la probabilidad de fuga térmica.

Los ánodos de mayor capacidad y los cátodos de alto voltaje brindan a las baterías de estado sólido el potencial de una mayor autonomía en vehículos eléctricos y una mayor resistencia en drones o sistemas de almacenamiento de energía.

Híbrido sólido-líquido como transición

El artículo distingue las baterías de litio líquidas, híbridas sólido-líquido y de estado totalmente sólido, y enfatiza que los diseños híbridos son una etapa de transición esencial. Las baterías semisólidas, cuasisólidas y “sólidas” del mercado entran en gran medida en esta categoría híbrida, y solo se diferencian en la proporción de electrolito líquido a sólido.

Las baterías híbridas sólido-líquido todavía contienen algo de electrolito líquido, lo que mejora el contacto con materiales activos y facilita la fabricación.

Las baterías totalmente de estado sólido contienen solo electrolito sólido, lo que ofrece una mayor seguridad intrínseca y una mayor densidad de energía teórica, pero hoy en día enfrentan desafíos de ingeniería más severos.

Barreras técnicas para el estado sólido completo

Aunque muchas empresas e institutos de investigación de todo el mundo están invirtiendo en tecnología de estado sólido, ninguna celda de energía de estado sólido de gran capacidad ha igualado todavía a las baterías de iones de litio líquidos tanto en rendimiento como en costo. La principal dificultad radica en la interfaz sólido-sólido, donde los materiales rígidos de los electrolitos dificultan el mantenimiento de un contacto íntimo con los electrodos durante los ciclos y los cambios de volumen.

Las rutas actuales incluyen baterías de estado sólido de polímero, película delgada, sulfuro y óxido, cada una con distintas ventajas y limitaciones.

Por ejemplo, las celdas poliméricas de estado sólido luchan a temperatura ambiente y con cátodos de alto voltaje, mientras que los sistemas de sulfuro son sensibles al aire y requieren condiciones de fabricación exigentes.

Estrategia de solidificación in situ.

Para superar los problemas de interfaz y al mismo tiempo aprovechar la infraestructura de iones de litio existente, los investigadores proponen un enfoque de solidificación in situ para electrolitos híbridos sólidos-líquidos. Durante el ensamblaje de la celda, un precursor líquido asegura una buena humectación y contacto; posteriormente, reacciones químicas o electroquímicas convierten todo o parte de este líquido en un electrolito sólido dentro de la celda.

Este método mejora el contacto entre electrodo y electrolito, suprime el crecimiento de dendritas de litio y equilibra la seguridad, el alto voltaje y el rendimiento de carga rápida.

También puede reutilizar gran parte del proceso actual de producción de iones de litio líquidos, lo que ayuda a los fabricantes a escalar más rápidamente y reducir costos.

Direcciones de desarrollo futuro

Los expertos esperan que las baterías de litio totalmente de estado sólido necesitarán aproximadamente cinco años más antes de una verdadera comercialización a gran escala, por lo que las baterías híbridas de energía sólida-líquida siguen siendo un camino realista a corto plazo. Para acelerar la industrialización, el artículo destaca la necesidad de un progreso coordinado en materiales, diseño de celdas, fabricación y estándares.

Las prioridades incluyen: desarrollar electrolitos sólidos con conductividad iónica, estabilidad y procesabilidad equilibradas; hacer coincidir electrodos de alta energía, como cátodos con alto contenido de níquel y ánodos de silicio-carbono o litio metálico; e integrar la simulación digital con la fabricación inteligente.

Se alienta a la industria a construir cadenas de suministro sólidas para materiales clave, invertir en equipos automatizados, perfeccionar los sistemas de prueba y evaluación y evolucionar gradualmente desde sistemas híbridos sólido-líquido. baterías de iones de litiohacia baterías de metal de litio totalmente de estado sólido.