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Batería de estado sólido

Una batería de estado sólido es una batería eléctrica que utiliza un electrolito sólido para las conducciones iónicas entre los electrodos , en lugar de los electrolitos de polímero líquido o en gel que se encuentran en las baterías convencionales. [1] Las baterías de estado sólido ofrecen teóricamente una densidad de energía mucho mayor que las típicas baterías de iones de litio o de polímero de litio . [2]

Aunque los electrolitos sólidos se descubrieron por primera vez en el siglo XIX, varios problemas impidieron su aplicación generalizada. Los avances de finales del siglo XX y principios del XXI generaron un renovado interés en la tecnología, especialmente en el contexto de los vehículos eléctricos .

Las baterías de estado sólido pueden utilizar litio metálico para el ánodo y óxidos o sulfuros para el cátodo , lo que aumenta la densidad energética. El electrolito sólido actúa como un separador ideal que permite que solo pasen los iones de litio. Por esa razón, las baterías de estado sólido pueden resolver potencialmente muchos de los problemas de las baterías de iones de litio con electrolito líquido que se utilizan actualmente , como la inflamabilidad, el voltaje limitado, la formación inestable de la interfaz sólido-electrolito, el bajo rendimiento de los ciclos y la resistencia. [5]

Los materiales propuestos para su uso como electrolitos incluyen cerámicas (por ejemplo, óxidos, sulfuros, fosfatos) y polímeros sólidos. Las baterías de estado sólido se encuentran en marcapasos , dispositivos RFID y portátiles [ cita requerida ] . Las baterías de estado sólido son potencialmente más seguras, con mayores densidades de energía. Los desafíos para su adopción generalizada incluyen la densidad de energía y potencia , la durabilidad , los costos de los materiales , la sensibilidad y la estabilidad. [6]

Historia

Origen

Entre 1831 y 1834, Michael Faraday descubrió los electrolitos sólidos sulfuro de plata y fluoruro de plomo (II) , que sentaron las bases de la iónica de estado sólido . [7] [8]

Década de 1900-2009

A finales de la década de 1950, varios sistemas electroquímicos conductores de plata empleaban electrolitos sólidos, al precio de una baja densidad de energía y voltajes de celda bajos, y una alta resistencia interna . [9] [10] En 1967, el descubrimiento de la conducción iónica rápida β - alúmina para una amplia clase de iones (Li+, Na+, K+, Ag+ y Rb+) inició el desarrollo de dispositivos electroquímicos de estado sólido con mayor densidad de energía. [11] [10] [12] Más inmediatamente, se desarrollaron celdas de sodio fundido / β - alúmina / azufre en Ford Motor Company en los EE. UU., [13] y NGK en Japón. [10] Este entusiasmo se manifestó en el descubrimiento de nuevos sistemas tanto en orgánicos, es decir, óxido de poli(etileno) ( PEO ), como en inorgánicos como NASICON. [10] Sin embargo, muchos de estos sistemas requerían operar a temperaturas elevadas y/o eran costosos de producir, lo que limitaba el despliegue comercial. [10] Una nueva clase de electrolito de estado sólido desarrollado por Oak Ridge National Laboratory , el oxinitruro de litio y fósforo (LiPON), surgió en la década de 1990. El LiPON se utilizó con éxito para fabricar baterías de iones de litio de película delgada , [14] aunque las aplicaciones fueron limitadas debido al costo asociado con la deposición del electrolito de película delgada, junto con las pequeñas capacidades a las que se podía acceder utilizando el formato de película delgada. [15] [16]

2010-2019

En 2011, Kamaya et al. demostraron el primer electrolito sólido, Li 10 GeP 2 S 12 (LGPS), capaz de lograr una conductividad iónica en masa superior a la de sus contrapartes de electrolito líquido a temperatura ambiente. [17] Con esto, los conductores de iones sólidos en masa finalmente podrían competir tecnológicamente con sus contrapartes de iones de litio.

Los investigadores y las empresas del sector del transporte han revitalizado el interés por las tecnologías de baterías de estado sólido. En 2011, Bolloré lanzó una flota de sus coches modelo BlueCar. La demostración tenía como objetivo mostrar las celdas de la empresa y contó con una batería de polímero de metal de litio (LMP) de 30 kWh con un electrolito polimérico, creado disolviendo sal de litio en un copolímero de polioxietileno .

En 2012, Toyota comenzó a realizar investigaciones sobre aplicaciones automotrices. [18] Al mismo tiempo, Volkswagen comenzó a asociarse con pequeñas empresas tecnológicas especializadas en esa tecnología.

En 2013, investigadores de la Universidad de Colorado en Boulder anunciaron el desarrollo de una batería de litio de estado sólido, con un cátodo compuesto de hierro y azufre sólido que prometía mayor energía. [19]

En 2017, John Goodenough , el co-inventor de las baterías de iones de litio, presentó una batería de vidrio de estado sólido , que utiliza un electrolito de vidrio y un ánodo de metal alcalino que consiste en litio , sodio o potasio . [20] Más tarde ese año, Toyota extendió su asociación de décadas con Panasonic para incluir la colaboración en baterías de estado sólido. [21] A partir de 2019, Toyota tenía la mayoría de las patentes relacionadas con SSB. [22] Fueron seguidos por BMW , [23] Honda , [24] Hyundai Motor Company ., [25] y Nissan . [26]

En 2018, Solid Power, una empresa escindida de la Universidad de Colorado en Boulder, [27] recibió 20 millones de dólares en financiación de Samsung y Hyundai para establecer una línea de fabricación que pudiera producir copias de su prototipo de batería de litio-metal recargable y de estado sólido, [28] con una capacidad prevista de 10 megavatios hora por año. [29]

Qing Tao inició la primera línea de producción china de baterías de estado sólido en 2018 para suministrar SSB para "equipos especiales y productos digitales de alta gama". [30]

2020-present

QuantumScape es una startup de baterías de estado sólido que surgió de la Universidad de Stanford . Salió a bolsa en la Bolsa de Nueva York el 29 de noviembre de 2020, como parte de una fusión de SPAC con Kensington Capital. [31] [32] En 2022, la empresa presentó sus prototipos de celdas A0 de 24 capas. En el primer trimestre de 2023, presentó QSE-5, una celda de metal de litio de 5 amperios-hora. PowerCo de Volkswagen declaró que el prototipo A0 había cumplido con las métricas de rendimiento anunciadas. El diseño FlexFrame de QuantumScape combina diseños de celdas prismáticas y de bolsa para adaptarse a la expansión y contracción de sus celdas durante el ciclo. [33] [34]

En julio de 2021, Murata Manufacturing anunció que comenzaría la producción en masa, dirigida a fabricantes de auriculares y otros wearables. [35] La capacidad de las celdas es de hasta 25 mAh a 3,8 V, [36] lo que la hace adecuada para dispositivos móviles pequeños como auriculares, pero no para vehículos eléctricos. Las celdas de iones de litio que se utilizan en los vehículos eléctricos suelen ofrecer entre 2000 y 5000 mAh a un voltaje similar: [37] un vehículo eléctrico necesitaría al menos 100 veces más celdas Murata para proporcionar una energía equivalente.

Ford Motor Company y BMW financiaron la startup Solid Power con 130 millones de dólares y, en 2022, la empresa había recaudado 540 millones de dólares. [38]

En septiembre de 2021, Toyota anunció su plan de utilizar una batería de estado sólido, comenzando con los modelos híbridos en 2025. [39]

En febrero de 2021, Hitachi Zosen anunció experimentos de demostración en la Estación Espacial Internacional . El Cygnus No. 17, lanzado el 19 de febrero de 2022, confirmó que se probarían baterías de estado sólido en la ISS. [40]

En enero de 2022, ProLogium firmó un acuerdo de cooperación técnica con Mercedes-Benz . La inversión se destinará al desarrollo de baterías de estado sólido y a la preparación para la producción. [41]

A principios de 2022, Swiss Clean Battery (SCB) anunció planes para abrir la primera fábrica del mundo de baterías de estado sólido sostenibles en Frauenfeld para 2024 con una producción anual inicial de 1,2 GWh. [42]

En julio de 2022, Svolt anunció la producción de una batería eléctrica de 20 Ah con una densidad energética de 350-400 Wh/kg. [43]

En junio de 2023, Maxell Corporation inició la producción en masa de baterías de estado sólido de gran capacidad. Esta batería tiene una larga vida útil y resistencia al calor. La producción de baterías de estado sólido cilíndricas de 200 mmAh debía comenzar en enero de 2024. Tamaño: diámetro 23 mm / altura 27 mm. [44]

En septiembre de 2023, Panasonic presentó una batería de estado sólido para drones . Se puede cargar del 10 % al 80 % en 3 minutos y dura entre 10 000 y 100 000 ciclos a 25 °C. Se esperaba que la batería estuviera disponible a fines de la década de 2020. [45]

En octubre de 2023, Toyota anunció una asociación con Idemitsu Kosan para producir baterías de estado sólido para sus vehículos eléctricos a partir de 2028. [46]

En octubre de 2023, Factorial Energy abrió una planta de fabricación de baterías en Methuen, Massachusetts , y comenzó a enviar muestras A de 100 Ah a socios automotrices, lo que suma un total de más de 1000 celdas de muestra A a Mercedes-Benz. Su tecnología utiliza un ánodo de litio-metal, un electrolito cuasi sólido y un cátodo de alta capacidad. Su densidad energética es de 391 Wh/kg. [47]

En noviembre de 2023, Guangzhou Automobile Group anunció que adoptaría baterías de estado sólido en 2026. La compañía también reveló que su batería había alcanzado los 400 Wh/kg. La producción en masa estaba programada para comenzar en 2025. [48]

El 28 de diciembre de 2023, Hyundai publicó su patente para un “sistema de batería de estado sólido provisto de un dispositivo de presurización”. La celda es una batería de estado sólido que mantiene una presión constante independientemente de las tasas de carga y descarga. El sistema incluye un elemento de isotemperatura. [49]

En enero de 2024, Volkswagen anunció que los resultados de las pruebas de un prototipo de batería de estado sólido conservaban el 95 % de su capacidad después de recorrer 500 000 km. También pasó otras pruebas de rendimiento. [50]

En abril de 2024, Factorial firmó un memorando de entendimiento con LG Chem. En junio envió sus primeras muestras B de 106 Ah a Mercedes-Benz para realizar pruebas. [47]

Materiales

Los materiales candidatos para electrolitos de estado sólido (SSE) incluyen cerámicas como ortosilicato de litio , [51] vidrio , [20] sulfuros [52] y RbAg 4 I 5 . [53] [54] Los electrolitos sólidos de óxido convencionales incluyen Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 (LAGP), Li 1.4 Al 0.4 Ti 1.6 (PO 4 ) 3 (LATP), Li 3x La 2/3-x TiO 3 de tipo perovskita (LLTO) y Li 6.4 La 3 Zr 1.4 Ta 0.6 O 12 de tipo granate (LLZO) con Li metálico. [55] La estabilidad térmica frente a Li de los cuatro SSE fue del orden LAGP < LATP < LLTO < LLZO. Los conductores superiónicos de cloruro se han propuesto como otro electrolito sólido prometedor. Son conductores iónicos, así como sulfuros deformables, pero al mismo tiempo no se ven afectados por la pobre estabilidad de oxidación de los sulfuros. Aparte de eso, su costo se considera menor que los SSE de óxido y sulfuro. [56] Los sistemas de electrolitos sólidos de cloruro actuales se pueden dividir en dos tipos: Li 3 MCl 6 [57] [58] y Li 2 M 2/3 Cl 4 . [59] Los elementos M incluyen Y, Tb-Lu, Sc e In. Los cátodos están basados ​​en litio. Las variantes incluyen LiCoO 2 , LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , LiMn 2 O 4 y LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 . Los ánodos varían más y se ven afectados por el tipo de electrolito. Los ejemplos incluyen In, Si , Ge x Si 1− x , SnO–B 2 O 3 , SnS –P 2 S 5 , Li 2 FeS 2 , FeS, NiP 2 y Li 2 SiS 3 . [60]

Un material de cátodo prometedor es el Li–S , que (como parte de un ánodo de litio sólido/ celda de Li2S) tiene una capacidad específica teórica de 1.670 mAh g −1 , "diez veces mayor que el valor efectivo de LiCoO2 " . El azufre es un cátodo inadecuado en aplicaciones de electrolitos líquidos porque es soluble en la mayoría de los electrolitos líquidos, lo que reduce drásticamente la vida útil de la batería. El azufre se estudia en aplicaciones de estado sólido. [60] Recientemente, se desarrolló un tejido cerámico que mostró ser prometedor en una batería de estado sólido de Li–S. Este tejido facilitó la transmisión de iones al mismo tiempo que manejaba la carga de azufre, aunque no alcanzó la densidad de energía proyectada. El resultado "con un soporte de electrolito de 500 μm de espesor y un 63% de utilización del área de electrolito" fue "71 Wh/kg", mientras que la densidad de energía proyectada fue de 500 Wh/kg. [61]

Los Li-O2 también tienen una capacidad teórica elevada. El principal problema de estos dispositivos es que el ánodo debe estar aislado de la atmósfera ambiente, mientras que el cátodo debe estar en contacto con ella. [60]

Una batería de Li/ LiFePO4 se muestra prometedora como una aplicación de estado sólido para vehículos eléctricos. Un estudio de 2010 presentó este material como una alternativa segura a las baterías recargables para vehículos eléctricos que "superan los objetivos del USABC-DOE". [62]

Darren HS Tan et al. ensamblaron una celda con un ánodo de silicio puro μSi||SSE||NCM811 usando un ánodo μSi (pureza del 99,9 % en peso), un electrolito de estado sólido (SSE) y un cátodo de óxido de litio-níquel-cobalto-manganeso (NCM811). Este tipo de batería de estado sólido demostró una alta densidad de corriente de hasta 5 mA cm −2 , un amplio rango de temperatura de trabajo (-20 °C y 80 °C) y una capacidad de área (para el ánodo) de hasta 11 mAh cm −2 (2890 mAh/g). Al mismo tiempo, después de 500 ciclos a 5 mA cm −2 , las baterías aún brindan un 80 % de retención de capacidad, que es el mejor desempeño de todas las baterías de estado sólido μSi reportadas hasta ahora. [63]

Los electrolitos sólidos de cloruro también son prometedores en comparación con los electrolitos sólidos de óxido convencionales debido a que los electrolitos sólidos de cloruro tienen una conductividad iónica teóricamente más alta y una mejor formabilidad. [64] Además, la estabilidad de oxidación excepcionalmente alta y la alta ductilidad del electrolito sólido de cloruro se suman a su rendimiento. En particular, una familia de electrolitos sólidos de cloruro de metal mixto de litio, Li2InxSc0.666 - xCl4 desarrollada por Zhou et al., muestra una alta conductividad iónica (2,0 mS cm −1 ) en un amplio rango de composición. Esto se debe a que el electrolito sólido de cloruro se puede usar junto con materiales activos de cátodo desnudo en lugar de materiales activos de cátodo revestido y su baja conductividad electrónica. [65] Se pueden encontrar composiciones de electrolitos sólidos de cloruro alternativas más económicas con una conductividad iónica menor, pero aún impresionante, con un electrolito sólido de Li2ZrCl6 . Este electrolito sólido de cloruro en particular mantiene una conductividad iónica alta a temperatura ambiente (0,81 mS cm −1 ), deformabilidad y tiene una alta tolerancia a la humedad. [66]

Usos

Las baterías de estado sólido son potencialmente útiles en marcapasos , RFID , dispositivos portátiles y vehículos eléctricos . [67] [68]

Vehículos eléctricos

Los vehículos eléctricos híbridos y enchufables utilizan una variedad de tecnologías de baterías, incluidas las de iones de litio (Li-ion) , níquel-hidruro metálico (NiMH) , plomo-ácido y condensadores eléctricos de doble capa (o ultracondensadores), [69] siendo las baterías de iones de litio las que dominan el mercado debido a su densidad energética superior . [70]

Honda declaró en 2022 que planeaba iniciar la operación de una línea de demostración para la producción de baterías de estado sólido a principios de 2024, [71] y Nissan anunció que, para el año fiscal 2028, pretende lanzar un vehículo eléctrico con baterías de estado sólido que se desarrollarán internamente. [72]

En junio de 2023, Toyota actualizó su estrategia para vehículos eléctricos de batería , anunciando que no utilizará baterías comerciales de estado sólido hasta al menos 2027. [73] [74]

Dispositivos portátiles

Las características de alta densidad de energía y el mantenimiento de un alto rendimiento incluso en entornos hostiles se esperan en la realización de nuevos dispositivos portátiles que sean más pequeños y más confiables que nunca. [67] [75]

Equipos en el espacio

En marzo de 2021, el fabricante industrial Hitachi Zosen Corporation anunció una batería de estado sólido que, según ellos, tiene una de las mayores capacidades de la industria y un rango de temperatura de funcionamiento más amplio, potencialmente adecuada para entornos hostiles como el espacio. [76] [77] Se lanzó una misión de prueba en febrero de 2022 y, en agosto, la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón (JAXA) anunció [78] que las baterías de estado sólido habían funcionado correctamente en el espacio, alimentando el equipo de cámara en el Módulo Experimental Japonés Kibō en la Estación Espacial Internacional (ISS).

Drones

Al ser más livianas y más potentes que las baterías de iones de litio tradicionales, es razonable que los drones comerciales se beneficien de las baterías de estado sólido. Vayu Aerospace, un fabricante y diseñador de drones, notó un mayor tiempo de vuelo después de incorporarlas a su dron de vuelo largo G1. [79] Otra ventaja de los drones es que todas las baterías sólidas se pueden cargar rápidamente. En septiembre de 2023, Panasonic anunció un prototipo de batería de estado sólido que puede cargarse del 10% al 80% en 3 minutos. [45]

Maquinaria industrial

Las baterías de estado sólido tienen una larga vida útil y una excelente resistencia al calor, por lo que se espera que se utilicen en entornos hostiles. La producción de baterías de estado sólido de Maxell para su uso en maquinaria industrial ya ha comenzado.

Generadores solares portátiles

En 2023, Yoshino se convertirá en el primer productor de generadores solares portátiles de estado sólido, con una densidad energética 2,5 veces mayor, potencia de salida de CA nominal y de sobretensión doble de los generadores de litio de estado no sólido (NMC, LFP). [80] [81] [82]

Desafíos

Costo

Las baterías de estado sólido de película delgada son costosas de fabricar [83] y emplean procesos de fabricación que se consideran difíciles de escalar, lo que requiere un costoso equipo de deposición al vacío . [14] Como resultado, los costos de las baterías de estado sólido de película delgada se vuelven prohibitivos para las aplicaciones basadas en el consumidor. Se estimó en 2012 que, según la tecnología actual, una celda de batería de estado sólido de 20 Ah costaría US$ 100.000, y un automóvil eléctrico de alto rango requeriría entre 800 y 1.000 de esas celdas. [14] Asimismo, el costo ha impedido la adopción de baterías de estado sólido de película delgada en otras áreas, como los teléfonos inteligentes . [67]

Sensibilidad a la temperatura y la presión

Las operaciones a baja temperatura pueden resultar un desafío. [83] Históricamente, las baterías de estado sólido han tenido un rendimiento deficiente. [19]

Las baterías de estado sólido con electrolitos cerámicos requieren alta presión para mantener el contacto con los electrodos. [84] Las baterías de estado sólido con separadores cerámicos pueden romperse por estrés mecánico. [14]

En noviembre de 2022, un grupo de investigación japonés, formado por la Universidad de Kioto , la Universidad de Tottori y Sumitomo Chemical , anunció que habían conseguido hacer funcionar baterías de estado sólido de forma estable sin aplicar presión con una capacidad de 230 Wh/kg utilizando nuevos materiales copolimerizados para el electrolito. [85]

En junio de 2023, un grupo de investigación japonés de la Escuela de Posgrado de Ingeniería de la Universidad Metropolitana de Osaka anunció que había logrado estabilizar la fase de alta temperatura de Li 3 PS 4 (α- Li 3 PS 4 ) a temperatura ambiente. Esto se logró mediante un calentamiento rápido para cristalizar el vidrio de Li 3 PS 4. [86]

Resistencia interfacial

La alta resistencia interfacial entre un cátodo y un electrolito sólido ha sido un problema de larga data para todas las baterías de estado sólido. [87]

Inestabilidad interfacial

La inestabilidad interfacial del electrodo-electrolito siempre ha sido un problema grave en las baterías de estado sólido. [88] Después de que el electrolito de estado sólido entra en contacto con el electrodo, las reacciones químicas y/o electroquímicas secundarias en la interfaz suelen producir una interfaz pasivada, que impide la difusión de Li + a través de la interfaz electrodo-SSE. Tras el ciclo de alto voltaje, algunos SSE pueden sufrir degradación oxidativa.

Dendritas

Dendrita de metal de litio desde el ánodo que perfora el separador y crece hacia el cátodo.

Los ánodos de metal de litio (Li) sólido en baterías de estado sólido son candidatos de reemplazo en baterías de iones de litio por sus mayores densidades de energía , seguridad y tiempos de recarga más rápidos. Dichos ánodos tienden a sufrir la formación y el crecimiento de dendritas de Li , crecimientos metálicos no uniformes que penetran el electrolito y provocan cortocircuitos eléctricos . Este cortocircuito provoca descargas de energía, sobrecalentamiento y, a veces, incendios o explosiones debido a una fuga térmica . [89] Las dendritas de Li reducen la eficiencia coulombiana . [90]

Los mecanismos exactos del crecimiento de las dendritas siguen siendo objeto de investigación. Los estudios sobre el crecimiento de las dendritas metálicas en electrolitos sólidos comenzaron con la investigación de celdas de sodio fundido/sodio-β-alúmina/azufre a temperatura elevada. En estos sistemas, las dendritas a veces crecen como resultado de la extensión de microfisuras debido a la presencia de presión inducida por el recubrimiento en la interfaz sodio/electrolito sólido. [91] Sin embargo, el crecimiento de las dendritas también puede ocurrir debido a la degradación química del electrolito sólido. [92]

En los electrolitos sólidos de iones de litio aparentemente estables al metal de litio, las dendritas se propagan principalmente debido a la acumulación de presión en la interfaz electrodo/electrolito sólido, lo que lleva a la extensión de la grieta. [ aclaración necesaria ] [93] Mientras tanto, para los electrolitos sólidos que son químicamente inestables frente a su respectivo metal, [ explicación adicional necesaria ] el crecimiento de la interfase y el agrietamiento final a menudo impiden la formación de dendritas. [ explicación adicional necesaria ] [94]

El crecimiento de las dendritas en las celdas de iones de litio de estado sólido se puede mitigar haciendo funcionar las celdas a temperaturas elevadas [95] o utilizando tensiones residuales para endurecer por fractura los electrolitos [93] , desviando así las dendritas y retrasando el cortocircuito inducido por ellas. También se ha demostrado que las interfases rectificadoras electrónicas que contienen aluminio entre el electrolito de estado sólido y el ánodo de litio metálico son eficaces para prevenir el crecimiento de las dendritas [96] .

Falla mecánica

Un mecanismo de falla común en las baterías de estado sólido es la falla mecánica a través de cambios de volumen [ se necesita más explicación ] en el ánodo y el cátodo durante la carga y descarga debido a la adición y eliminación de iones de litio de las estructuras anfitrionas. [97]

Cátodo

Los cátodos normalmente consistirán en partículas catódicas activas mezcladas con partículas SSE para ayudar con la conducción de iones . A medida que la batería se carga/descarga, las partículas catódicas cambian de volumen, normalmente en el orden de un pequeño porcentaje. [98] Este cambio de volumen conduce a la formación de huecos entre partículas que empeoran el contacto entre el cátodo y las partículas SSE, lo que resulta en una pérdida significativa de capacidad debido a la restricción en el transporte de iones. [97] [99] [100]

Una solución propuesta para este problema es aprovechar la anisotropía del cambio de volumen en las partículas del cátodo. Como muchos materiales del cátodo experimentan cambios de volumen solo a lo largo de ciertas direcciones cristalográficas , si las partículas del cátodo secundario crecen a lo largo de una dirección cristalográfica que no se expande mucho con la carga/descarga, entonces el cambio en el volumen de las partículas se puede minimizar. [101] [102] Otra solución propuesta es mezclar diferentes materiales del cátodo que tienen tendencias de expansión opuestas en la proporción adecuada de modo que el cambio de volumen neto del cátodo sea cero. [98] Por ejemplo, LiCoO 2 (LCO) y LiNi 0,9 Mn 0,05 Co 0,05 O 2 (NMC) son dos materiales del cátodo bien conocidos para baterías de iones de litio. Se ha demostrado que el LCO experimenta una expansión de volumen cuando se descarga, mientras que el NMC experimenta una contracción de volumen cuando se descarga. De este modo, un cátodo compuesto de LCO y NMC en la proporción correcta podría sufrir un cambio de volumen mínimo bajo descarga, ya que la contracción del NMC se compensa con la expansión del LCO.

Ánodo

Idealmente, una batería de estado sólido utilizaría un ánodo de metal de litio puro debido a su alta capacidad energética. Sin embargo, el litio experimenta un gran aumento de volumen durante la carga de alrededor de 5 μm por 1 mAh/cm2 de Li revestido. [97] Para electrolitos con una microestructura porosa, esta expansión conduce a un aumento de la presión que puede provocar el deslizamiento del metal de litio a través de los poros del electrolito y corta la celda. [103] El metal de litio tiene un punto de fusión relativamente bajo de 453 K y una energía de activación baja para la autodifusión de 50 kJ/mol, lo que indica su alta propensión a deslizarse significativamente a temperatura ambiente. [104] [105] Se ha demostrado que a temperatura ambiente el litio experimenta deslizamiento de ley de potencia donde la temperatura es lo suficientemente alta en relación con el punto de fusión como para que las dislocaciones en el metal puedan salir de su plano de deslizamiento para evitar obstáculos. La tensión de deslizamiento bajo deslizamiento de ley de potencia está dada por:

¿Dónde está la constante del gas , es la temperatura, es la tasa de deformación uniaxial , es la tensión de fluencia , y para el metal litio , , . [104]

Para que el metal de litio se utilice como ánodo, se debe tener mucho cuidado para minimizar la presión de la celda a valores relativamente bajos del orden de su límite elástico de 0,8 MPa. [106] La presión de celda de funcionamiento normal para el ánodo de metal de litio es de entre 1 y 7 MPa. Algunas estrategias posibles para minimizar el estrés en el metal de litio son utilizar celdas con resortes de una constante de resorte elegida o la presurización controlada de toda la celda. [97] Otra estrategia puede ser sacrificar algo de capacidad energética y utilizar un ánodo de aleación de metal de litio que normalmente tiene una temperatura de fusión más alta que el metal de litio puro, lo que resulta en una menor propensión a la fluencia. [107] [108] [109] Si bien estas aleaciones se expanden bastante cuando se litian, a menudo en mayor grado que el metal de litio, también poseen propiedades mecánicas mejoradas que les permiten operar a presiones de alrededor de 50 MPa. [110] [111] Esta mayor presión de celda también tiene el beneficio adicional de posiblemente mitigar la formación de huecos en el cátodo. [97]

Ventajas

Se cree [ ¿quién lo cree? ] que la tecnología de baterías de estado sólido ofrece densidades de energía más altas (2,5x). [112]

Las baterías de estado sólido tienen una densidad de energía teórica excelente [ dudoso – discutir ] .

Batería de iones de litio: Cátodo: Cobalto de litio ⇄ Ánodo: Grafito → Densidad energética 370 Wh/kg (Tipo de cobalto: valor límite teórico)

Batería de estado sólido: Cátodo: Óxido/Sulfuro ⇄ Ánodo: Litio metálico → Densidad energética 1440 Wh/kg (tipo de sulfuro: valor límite teórico)

Pueden evitar [ dudoso – discutir ] el uso de materiales peligrosos o tóxicos que se encuentran en las baterías comerciales, como los electrolitos orgánicos. [113]

Como la mayoría de los electrolitos líquidos son inflamables y los electrolitos sólidos no, se cree [¿ quién lo cree? ] que las baterías de estado sólido tienen un menor riesgo de incendiarse. Se necesitan menos sistemas de seguridad, lo que aumenta aún más la densidad energética a nivel de módulo o paquete de celdas. [2] [113] Estudios recientes muestran que la generación de calor en el interior es solo de aproximadamente el 20-30% de las baterías convencionales con electrolito líquido en estado de fuga térmica. [114]

Se cree que la tecnología de baterías de estado sólido [ dudoso – debatido ] permite una carga más rápida. [ 115 ] [ 116 ] También son posibles voltajes más altos y una vida útil más prolongada. [ dudoso – debatido ] [ 113 ] [ 83 ]

Baterías de estado sólido de película delgada

Fondo

Las primeras baterías de estado sólido de película delgada fueron descubiertas por Keiichi Kanehori en 1986 [117] , que se basaban en el electrolito de litio. Sin embargo, en ese momento, la tecnología era insuficiente para alimentar dispositivos electrónicos más grandes, por lo que no estaba completamente desarrollada. Durante los últimos años, ha habido mucha investigación en el campo. Garbayo demostró que existe "poliamorfismo" además de los estados cristalinos para baterías de estado sólido de granate de litio de película delgada en 2018 [118] , Moran demostró que Ample puede fabricar películas cerámicas con el rango de tamaño deseado de 1 a 20 μm en 2021 [119].

Estructura

Materiales del ánodo: El Li es el preferido debido a sus propiedades de almacenamiento, las aleaciones de Al, Si y Sn también son adecuadas como ánodos.

Materiales de cátodo: requieren peso ligero, buena capacidad cíclica y alta densidad energética. Por lo general, incluyen LiCoO2, LiFePO4, TiS2, V2O5 y LiMnO2. [120]

Técnicas de preparación

A continuación se enumeran algunos métodos. [121]

Desarrollo de un sistema de película delgada

Ventajas

Desafíos

Véase también

Referencias

  1. ^ Vandervell, Andy (26 de septiembre de 2017). "¿Qué es una batería de estado sólido? Los beneficios explicados". Wired UK . Consultado el 7 de enero de 2018 .
  2. ^ ab Reisch, Marc S. (20 de noviembre de 2017). "Las baterías de estado sólido avanzan lentamente hacia el mercado". C&EN Global Enterprise . 95 (46): 19–21. doi :10.1021/cen-09546-bus.
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