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Batería de estado sólido

Una batería de estado sólido es una batería eléctrica que utiliza un electrolito sólido para conducir movimientos de iones entre los electrodos , en lugar de los electrolitos líquidos o de gel polimérico que se encuentran en las baterías convencionales. [1] En teoría, las baterías de estado sólido ofrecen una densidad de energía mucho mayor que las típicas baterías de iones de litio o de polímero de litio . [2]

Si bien 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 , aumentando la densidad energética. El electrolito sólido actúa como un separador ideal que sólo deja pasar los iones de litio. Por esa razón, las baterías de estado sólido pueden resolver potencialmente muchos 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 una interfaz de electrolito sólido, el rendimiento cíclico deficiente 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 y en dispositivos RFID y portátiles . Las baterías de estado sólido son potencialmente más seguras y tienen mayores densidades de energía. Los desafíos para una adopción generalizada incluyen densidad de energía y potencia , durabilidad , costos de materiales , sensibilidad y 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 los iones de estado sólido . [7] [8]

1900-

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, 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+) impulsó el desarrollo de dispositivos electroquímicos de estado sólido con mayor energía. densidad. [11] [10] [12] Más inmediatamente, las células de sodio fundido / β - alúmina / azufre se desarrollaron 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 compuestos orgánicos, es decir, óxido de poli(etileno) ( PEO ), como en compuestos inorgánicos como NASICON. [10] Sin embargo, muchos de estos sistemas requerían operación a temperaturas elevadas y/o eran costosos de producir, lo que limitaba su implementación comercial. [10] En la década de 1990 surgió una nueva clase de electrolito de estado sólido desarrollado por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge , el oxinitruro de litio y fósforo (LiPON). 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. demostró el primer electrolito sólido, Li 10 GeP 2 S 12 (LGPS), capaz de lograr una conductividad iónica en masa superior a la de sus homólogos de electrolitos líquidos a temperatura ambiente. [17] Con esto, los conductores masivos de iones sólidos finalmente podrían competir tecnológicamente con sus homólogos de iones de litio.

Investigadores y empresas de la industria del transporte revitalizaron el interés en las tecnologías de baterías de estado sólido. En 2011, Bolloré lanzó una flota de sus modelos de coches BlueCar. La demostración tenía como objetivo mostrar las celdas de la empresa y contó con una batería de polímero de litio metálico (LMP) de 30 kWh con un electrolito polimérico, creado disolviendo sal de litio en copolímero de polioxietileno .

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

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

En 2017, John Goodenough , coinventor 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 compuesto de litio , sodio o potasio . [20] Más tarde ese año, Toyota amplió su asociación de décadas con Panasonic para incluir la colaboración en baterías de estado sólido. [21] En 2019, Toyota poseía la mayoría de las patentes relacionadas con SSB. [22] Les siguieron BMW , [23] Honda , [24] Hyundai Motor Company ., [25] y Nissan . [26]

En 2018, Solid Power, escindida de la Universidad de Colorado 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 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, con la intención de suministrar SSB para "equipos especiales y productos digitales de alta gama". [30]

2020-

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 células A0 de 24 capas. En el primer trimestre de 2023, presentó QSE-5, una celda de metal de litio de 5 amperios por hora. PowerCo de Volkswagen afirmó que el prototipo A0 había cumplido 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 los fabricantes de auriculares y otros dispositivos portátiles. [35] La capacidad de la celda 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 utilizadas 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 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 en la ISS se probarían baterías totalmente de estado sólido. [40]

En enero de 2022, ProLogium firmó un acuerdo de cooperación técnica con Mercedes-Benz . La inversión se utilizará para el desarrollo y preparación de la producción de baterías de estado sólido. [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 larga duración y resistencia al calor. La producción de baterías cilíndricas de estado sólido 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 tiene una duración de 10.000 a 100.000 ciclos (a 25 °C). Se esperaba que la batería estuviera disponible a finales 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 noviembre de 2023, Guangzhou Automobile Group anunció que adoptaría baterías de estado sólido en 2026. La compañía también reveló que su batería alcanzó los 400 Wh/kg. Estaba previsto que la producción en masa comenzara en 2025. [47]

El 28 de diciembre de 2023, Hyundai publicó su patente para un “sistema de batería totalmente 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. [48]

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. [49]

Materiales

Los materiales candidatos a electrolitos de estado sólido (SSE) incluyen cerámicas como ortosilicato de litio , [50] vidrio , [20] sulfuros [51] y RbAg 4 I 5 . [52] [53] 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), tipo perovskita Li 3x La 2/3. -x TiO 3 (LLTO), y tipo granate Li 6,4 La 3 Zr 1,4 Ta 0,6 O 12 (LLZO) con Li metálico. [54] La estabilidad térmica versus Li de los cuatro SSE estaba en el orden de LAGP <LATP <LLTO <LLZO. Se han propuesto conductores superiónicos de cloruro como otro electrolito sólido prometedor. Son sulfuros conductores de iones y deformables, pero al mismo tiempo no se ven afectados por la mala estabilidad a la oxidación de los sulfuros. Aparte de eso, su costo se considera más bajo que el de las SSE de óxidos y sulfuros. [55] Los actuales sistemas de electrolitos sólidos de cloruro se pueden dividir en dos tipos: Li 3 MCl 6 [56] [57] y Li 2 M 2/3 Cl 4 . [58] Los elementos M incluyen Y, Tb-Lu, Sc e In. Los cátodos son a base de 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 . [59]

Un material catódico prometedor es el Li-S , que (como parte de un ánodo de litio sólido/celda de Li 2 S) tiene una capacidad específica teórica de 1670 mAh g -1 , "diez veces mayor que el valor efectivo del LiCoO 2 ". El azufre constituye 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. [59] Recientemente, se desarrolló un tejido cerámico que se mostró prometedor en una batería de estado sólido Li-S. Este textil facilitó la transmisión de iones y al mismo tiempo manejó 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 aprovechamiento del 63% del área de electrolito" fue "71 Wh/kg". mientras que la densidad energética proyectada era de 500 Wh/kg. [60]

Li-O 2 también tiene una alta capacidad teórica. El principal problema con estos dispositivos es que el ánodo debe estar sellado de la atmósfera ambiental, mientras que el cátodo debe estar en contacto con ella. [59]

Una batería de Li/ LiFePO 4 parece prometedora como 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 de USABC-DOE". [61]

Darren HS Tan et al ensamblaron una celda con un ánodo de silicio puro μSi||SSE||NCM811. utilizando ánodo μSi (pureza del 99,9% en peso), electrolito de estado sólido (SSE) y cátodo de litio-níquel-cobalto-óxido de 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 real (para el ánodo) de hasta 11 mAh. cm -2 (2890 mAh/g). Al mismo tiempo, después de 500 ciclos por debajo de 5 mA cm −2 , las baterías aún proporcionan el 80% de retención de capacidad, que es el mejor rendimiento de todas las baterías de estado sólido μSi reportadas hasta ahora. [62]

Los electrolitos sólidos de cloruro también son prometedores con respecto a los electrolitos sólidos de óxido convencionales debido a que los electrolitos sólidos de cloruro tienen una conductividad iónica teóricamente mayor y una mejor formabilidad. [63] Además, la excepcionalmente alta estabilidad a la oxidación y la alta ductilidad del electrolito sólido de cloruro aumentan su rendimiento. En particular, una familia de electrolitos sólidos de cloruro de metal mixto de litio, Li 2 In x Sc 0,666-x Cl 4 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 utilizar junto con materiales activos de cátodo desnudo en lugar de materiales activos de cátodo recubiertos y a su baja conductividad electrónica. [64] Se pueden encontrar composiciones alternativas de electrolitos sólidos de cloruro más baratas con una conductividad iónica más baja, pero aún impresionante, con un electrolito sólido Li 2 ZrCl 6 . Este electrolito sólido de cloruro en particular mantiene una conductividad iónica a temperatura ambiente alta (0,81 mS cm -1 ), deformabilidad y tiene una alta tolerancia a la humedad. [sesenta y cinco]

Usos

Las baterías de estado sólido son potencialmente útiles en marcapasos , RFID , dispositivos portátiles y vehículos eléctricos . [66] [67]

Vehículos eléctricos

Los vehículos híbridos y eléctricos enchufables utilizan una variedad de tecnologías de baterías, que incluyen iones de litio (Li-ion) , níquel-hidruro metálico (NiMH) , plomo-ácido y condensadores eléctricos de doble capa (o ultracondensadores), [68] con Las baterías de iones de litio dominan el mercado debido a su densidad de energía superior . [69]

Honda declaró en 2022 que planeaba iniciar la operación de una línea de demostración para la producción de baterías totalmente de estado sólido a principios de 2024, [70] y Nissan anunció que, para el año fiscal 2028, pretende lanzar un vehículo eléctrico con baterías totalmente sólidas. -Baterías de estado que se desarrollarán internamente. [71]

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. [72] [73]

Usables

Se esperan características de alta densidad de energía y mantenimiento de un alto rendimiento incluso en entornos hostiles en la realización de nuevos dispositivos portátiles que sean más pequeños y confiables que nunca. [66] [74]

Equipo en el espacio

En marzo de 2021, el fabricante industrial Hitachi Zosen Corporation anunció una batería de estado sólido que, según afirmó, tiene una de las capacidades más altas de la industria y un rango de temperatura de funcionamiento más amplio, potencialmente adecuada para entornos hostiles como el espacio. [75] [76] Se lanzó una misión de prueba en febrero de 2022 y, en agosto, la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón (JAXA) anunció [77] 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 ligeras y más potentes que las baterías tradicionales de iones de litio, es razonable que los drones comerciales se beneficien de las baterías de estado sólido. Vayu Aerospace, fabricante y diseñador de drones, notó un aumento en el tiempo de vuelo después de incorporarlos a su drone de vuelo largo G1. [78] 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 totalmente de estado sólido que puede cargarse del 10% al 80% en 3 minutos. [45]

Maquinaria industrial

Las baterías totalmente de estado sólido tienen una larga vida útil y una excelente resistencia al calor. Por lo tanto, se espera que se utilice en entornos hostiles. Ya ha comenzado la producción de baterías de estado sólido de Maxell para uso en maquinaria industrial.

Generadores solares portátiles

En 2023, Yoshino se convertirá en el primer productor de generadores solares portátiles de estado sólido, con una densidad de energía 2,5 veces mayor, potencia de salida de CA nominal doble y sobretensión de los generadores de litio de estado no sólido (NMC, LFP). [79] [80] [81]

Desafíos

Costo

Las baterías de estado sólido de película delgada son costosas de fabricar [82] y emplean procesos de fabricación que se consideran difíciles de escalar, lo que requiere costosos equipos de deposición al vacío . [14] Como resultado, los costos de las baterías de estado sólido de película delgada se vuelven prohibitivos en aplicaciones de consumo. En 2012 se estimó que, basándose en la tecnología actual, una celda de batería de estado sólido de 20 Ah costaría 100.000 dólares , y un automóvil eléctrico de alta autonomía 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 . [66]

Sensibilidad a la temperatura y la presión.

Las operaciones a baja temperatura pueden ser un desafío. [82] 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. [83] Las baterías de estado sólido con separadores cerámicos pueden romperse debido a la tensión mecánica. [14]

En noviembre de 2022, un grupo de investigación japonés, formado por la Universidad de Kyoto , la Universidad de Tottori y Sumitomo Chemical , anunció que habían logrado operar baterías de estado sólido de manera estable sin aplicar presión con una capacidad de 230 Wh/kg mediante el uso de nuevos materiales copolimerizados para electrolitos. [84]

En junio de 2023, un grupo de investigación japonés de la Escuela de Graduados en Ingeniería de la Universidad Metropolitana de Osaka anunció que habían logrado estabilizar la fase de alta temperatura del Li 3 PS 4 (α- Li 3 PS 4 ) a temperatura ambiente. Esto se logró mediante calentamiento rápido para cristalizar el vidrio Li 3 PS 4 . [85]

Resistencia interfacial

La alta resistencia interfacial entre un cátodo y un electrolito sólido ha sido un problema de larga data para las baterías totalmente de estado sólido. [86]

inestabilidad interfacial

La inestabilidad interfacial del electrodo-electrolito siempre ha sido un problema grave en las baterías de estado sólido. [87] Después de los contactos del electrolito de estado sólido con el electrodo, las reacciones secundarias químicas y/o electroquímicas en la interfaz generalmente producen 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

Las dendritas de metal litio del ánodo atraviesan el separador y crecen hacia el cátodo.

Los ánodos metálicos de litio (Li) sólidos en baterías de estado sólido son candidatos de reemplazo en baterías de iones de litio para lograr mayores densidades de energía , seguridad y tiempos de recarga más rápidos. Estos ánodos tienden a sufrir la formación y el crecimiento de dendritas de Li , crecimientos metálicos no uniformes que penetran en el electrolito y provocan cortocircuitos eléctricos . Este cortocircuito provoca descargas de energía, sobrecalentamiento y, en ocasiones, incendios o explosiones debido a la fuga térmica . [88] Las dendritas de Li reducen la eficiencia coulómbica . [89]

Los mecanismos exactos del crecimiento de las dendritas siguen siendo objeto de investigación. Los estudios sobre el crecimiento de dendritas metálicas en electrolitos sólidos comenzaron con la investigación de células de sodio / sodio - β - alúmina / azufre fundidos 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 revestimiento en la interfaz sodio/electrolito sólido. [90] Sin embargo, el crecimiento de dendritas también puede ocurrir debido a la degradación química del electrolito sólido. [91]

En electrolitos sólidos de iones de litio aparentemente estables con respecto al Li metálico, 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. [92] Mientras tanto, para los electrolitos sólidos que son químicamente inestables frente a su metal respectivo, el crecimiento de la interfase y el eventual agrietamiento a menudo evitan la formación de dendritas. [93]

El crecimiento de dendritas en celdas de iones de litio de estado sólido se puede mitigar operando las celdas a temperatura elevada [94] o usando tensiones residuales para fracturar electrolitos endurecidos, [92] desviando así las dendritas y retrasando el cortocircuito inducido por las dendritas. También se ha demostrado que las interfases rectificadoras electrónicas que contienen aluminio entre el electrolito de estado sólido y el ánodo de metal litio son efectivas para prevenir el crecimiento de dendritas. [95]

Falla mecánica

Un mecanismo de falla común en las baterías de estado sólido es la falla mecánica a través de cambios de volumen 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. [96]

Cátodo

Los cátodos normalmente consistirán en partículas de cátodo activas mezcladas con partículas de SSE para ayudar con la conducción de iones . A medida que la batería se carga/descarga, las partículas del cátodo cambian de volumen normalmente del orden de un pequeño porcentaje. [97] Este cambio de volumen conduce a la formación de vacíos 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. [96] [98] [99]

Una solución propuesta a este problema es aprovechar la anisotropía del cambio de volumen en las partículas del cátodo. Como muchos materiales catódicos 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 se puede minimizar el cambio de volumen de las partículas. [100] [101] Otra solución propuesta es mezclar diferentes materiales catódicos que tengan tendencias de expansión opuestas en la proporción adecuada, de modo que el cambio de volumen neto del cátodo sea cero. [97] Por ejemplo, LiCoO 2 (LCO) y LiNi 0,9 Mn 0,05 Co 0,05 O 2 (NMC) son dos materiales catódicos bien conocidos para baterías de iones de litio. Se ha demostrado que el LCO sufre una expansión de volumen cuando se descarga, mientras que se ha demostrado que el NMC sufre una contracción de volumen cuando se descarga. Por lo tanto, un cátodo compuesto de LCO y NMC en la proporción correcta podría sufrir un cambio de volumen mínimo bajo descarga ya que la contracción de NMC se compensa con la expansión de LCO.

Ánodo

Lo ideal sería que una batería de estado sólido utilizara un ánodo de metal de litio puro debido a su alta capacidad energética. Sin embargo, el litio sufre un gran aumento de volumen durante la carga de alrededor de 5 μm por 1 mAh/cm 2 de Li chapado. [96] Para electrolitos con una microestructura porosa, esta expansión conduce a un aumento de la presión que puede provocar que el Li metálico se deslice a través de los poros del electrolito y cerca de la celda. [102] El litio metálico tiene un punto de fusión relativamente bajo de 453 K y una baja energía de activación para la autodifusión de 50 kJ/mol, lo que indica su alta propensión a deformarse significativamente a temperatura ambiente. [103] [104] Se ha demostrado que a temperatura ambiente el litio sufre una fluencia según la 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 fluencia bajo la ley de potencia viene dada por:

Donde es la constante del gas , es la temperatura, es la velocidad de deformación uniaxial , es la tensión de fluencia y, para el metal litio , , . [103]

Para utilizar litio metálico 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. [105] La presión de funcionamiento normal de la celda para el ánodo de metal de litio oscila entre 1 y 7 MPa. Algunas estrategias posibles para minimizar la tensión sobre el metal litio son utilizar celdas con resortes de una constante elástica elegida o presurización controlada de toda la celda. [96] 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. [106] [107] [108] Si bien estas aleaciones se expanden bastante cuando se litian, a menudo en mayor grado que el litio metálico, también poseen propiedades mecánicas mejoradas que les permiten operar a presiones de alrededor de 50 MPa. [109] [110] Esta presión de celda más alta también tiene el beneficio adicional de posiblemente mitigar la formación de vacíos en el cátodo. [96]

Ventajas

Se cree que la tecnología de baterías de estado sólido ofrece densidades de energía más altas (2,5 veces). [111]

Las baterías de estado sólido tienen una excelente densidad de energía teórica.

[Batería secundaria de iones de litio]

Cátodo: Cobaltato de litio ⇄ Ánodo: Grafito → Densidad de energía 370 Wh/kg (Tipo de cobalto: valor límite teórico)

[Batería de estado sólido]

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

Pueden evitar el uso de materiales peligrosos o tóxicos que se encuentran en las baterías comerciales, como los electrolitos orgánicos. [112]

Debido a que la mayoría de los electrolitos líquidos son inflamables y los electrolitos sólidos no son inflamables, se 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 de energía a nivel de módulo o paquete de celdas. [2] [112] Estudios recientes muestran que la generación de calor en el interior es solo ~20-30% de las baterías convencionales con electrolito líquido bajo fuga térmica. [113]

Se cree que la tecnología de baterías de estado sólido permite una carga más rápida. [114] [115] También es posible un voltaje más alto y una vida útil más larga. [112] [82]

Baterías de estado sólido de película delgada

Fondo

Keiichi Kanehori encontró las primeras baterías de estado sólido de película delgada en 1986, [116] que se basan en el electrolito de Li. Sin embargo, en aquel momento, la tecnología era insuficiente para alimentar dispositivos electrónicos más grandes, por lo que no se desarrolló por completo. 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 Li-granate de película delgada en 2018, [117] Moran demostró que Amplity puede fabricar películas cerámicas con el rango de tamaño deseado de 1 a 20 μm en 2021. [118 ]

Estructura

Materiales de ánodo: Se prefiere el Li debido a sus propiedades de almacenamiento; las aleaciones de Al, Si y Sn también son adecuadas como ánodos.

Materiales catódicos: requieren tener peso ligero, buena capacidad cíclica y alta densidad energética. Generalmente incluyen LiCoO2, LiFePO4, TiS2, V2O5 y LiMnO2. [119]

Técnicas de preparación

Algunos métodos se enumeran a continuación. [120]

Desarrollo del sistema de película delgada.

Ventajas

Desafíos

Ver también

Referencias

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