Baterías de estado sólido y sus principales materiales

¿Qué es una batería de estado sólido? La batería tradicional de iones de litio incluye cuatro componentes principales: electrodo positivo, electrodo negativo, electrolito y separador. Una batería de estado sólido reemplaza el electrolito por un electrolito sólido. En comparación con las baterías tradicionales de iones de litio, la diferencia clave de las baterías de estado sólido radica en que el electrolito ha cambiado de líquido a sólido, con seguridad y alta densidad de energía. Las baterías de electrolitos de estado sólido son la forma definitiva de baterías de litio y sodio, que pueden resolver por completo los problemas de seguridad y son sin duda las protagonistas de la segunda mitad del nuevo mercado energético. La cadena industrial de baterías de estado sólido es más o menos similar a la de las baterías de litio líquido. El upstream incluye materias primas, minería, maquinaria y equipos, y materiales básicos. La principal diferencia entre los dos radica en los tipos de electrolitos y materiales de los electrodos negativos. Los materiales de los electrodos positivos son casi los mismos. Si se convierte completamente en una batería de estado sólido, el separador también se reemplazará por completo. La mitad de la cadena industrial es el proceso de procesamiento y preparación de paquetes de baterías, y las áreas de aplicación posteriores de la cadena industrial incluyen vehículos de nueva energía, sistemas de almacenamiento de energía, electrónica de consumo, etc.

Las ventajas de las baterías de estado sólido son:

(1) Los electrolitos de estado sólido se utilizan para reemplazar los electrolitos líquidos y los separadores. Los electrolitos de estado sólido tienen un punto de ignición muy alto, lo que mejora la estabilidad térmica de la batería;

(2) La plataforma de voltaje de las baterías de estado sólido es de 5 V, superior a los 4,3 V de las baterías líquidas, que pueden coincidir con los materiales de los electrodos de alto voltaje, y la densidad de energía y la capacidad específica de la batería son mejores que las de las baterías líquidas;

(3) Los electrolitos de estado sólido no son fluidos, por lo que no hay fugas, lo que simplifica el diseño del paquete de baterías, reduce el peso y el volumen de la batería y se espera que la densidad de energía supere los 300 Wh/kg.

Electrolito de estado sólido

El electrolito de estado sólido es el componente central de las baterías de iones de litio de estado sólido, que puede servir como separador y electrolito de la batería al mismo tiempo. La función principal del electrolito es transmitir Li+ entre los electrodos positivo y negativo. Los electrolitos de estado sólido ideales deben tener alta conductividad iónica, baja impedancia de interfaz, estructura estable, alta seguridad, alta resistencia mecánica y bajo precio. Actualmente, basándose en diferentes electrolitos, se puede dividir principalmente en electrolitos poliméricos de estado sólido y electrolitos inorgánicos de estado sólido. El sistema representativo del primero es el óxido de polietileno PEO; este último son los sistemas de óxidos, sulfuros y haluros.

Materiales catódicos

Los principales materiales catódicos para baterías de estado sólido son: óxido de litio y cobalto, fosfato de litio y hierro, óxido de litio, níquel y cobalto y óxido de litio y cobalto y aluminio.

(1) Óxido de litio y cobalto: un material catódico comúnmente utilizado en baterías de iones de litio, que puede proporcionar una alta densidad de energía y un ciclo de vida prolongado, pero existen problemas de seguridad.

(2) Fosfato de litio y hierro: en comparación con el óxido de litio y cobalto, el fosfato de litio y hierro tiene mejor seguridad y una vida útil más larga, pero su densidad de energía es menor.

(3) Óxido de litio, níquel y cobalto: alta densidad de energía y ciclo de vida prolongado, pero el costo del material es alto y existen problemas de seguridad.

(4) Óxido de litio, cobalto y aluminio: alta densidad de energía, pero el ciclo de vida es ligeramente menor que el del óxido de litio, níquel y cobalto.

(5) Combinaciones de múltiples materiales en electrolitos de estado sólido: por ejemplo, el óxido de litio y manganeso (LiMn2O4) y el titanato de litio (Li4Ti5O12) pueden proporcionar mayor seguridad y vida útil más larga, pero la densidad de energía es relativamente baja.

Materiales del ánodo

Los materiales de los electrodos negativos para baterías de estado sólido incluyen principalmente tres tipos: metal de litio, materiales de carbono y materiales de silicio.

(1) El litio metálico se utiliza principalmente en baterías de iones de litio de estado sólido y baterías de litio-azufre de estado sólido. Entre ellas, las baterías de iones de litio de estado sólido son un tipo de batería de alta densidad de energía que se puede aplicar en campos como los vehículos eléctricos y los drones. Por otro lado, las baterías de litio-azufre de estado sólido son baterías con alta densidad de energía y alta seguridad, adecuadas para aplicaciones en los campos aeroespacial, militar y otros.

(2) Los materiales de carbono se utilizan principalmente en baterías de iones de litio de estado sólido. Los nanotubos de carbono, un material de carbono común, tienen una superficie específica alta y un rendimiento electroquímico excelente, lo que los hace adecuados para su uso en baterías de iones de litio de estado sólido de alto rendimiento.

(3) El silicio es un nuevo material de electrodo negativo que ofrece una alta capacidad específica y un bajo costo. En las baterías de estado sólido, el silicio puede reaccionar con electrolitos de estado sólido para formar iones de litio, lo que permite la carga y descarga de la batería. En comparación con los materiales de litio metálico y carbono, el silicio tiene una capacidad específica más alta, pero su estabilidad de ciclo es relativamente pobre, propenso a la expansión de volumen y daños estructurales. Los materiales de silicio se utilizan principalmente en baterías de iones de litio de estado sólido. Entre ellos, los nanocables de silicio, un material de silicio común, poseen una alta superficie específica y un excelente rendimiento electroquímico, adecuados para su uso en baterías de iones de litio de estado sólido de alto rendimiento.

Separador

El material separador es un componente esencial de las baterías de estado sólido y se utiliza principalmente para aislar los electrodos positivo y negativo para evitar la conducción electrónica. La composición de los materiales separadores incluye principalmente polímeros, polvos a nanoescala, etc. Las investigaciones sugieren que se puede utilizar un recubrimiento de doble capa como alternativa a un separador, con una capa de electrolito de estado sólido inorgánico recubierta en ambos lados de la lámina del electrodo negativo y una capa de polímero orgánico recubierta en la superficie del sólido inorgánico. estado de la capa de electrolito. Actualmente, existe la opinión de que las baterías de estado sólido de sulfuro y óxido no requieren un separador. Además, varias patentes publicadas para baterías de estado sólido han propuesto el concepto de separadores compuestos, como los separadores compuestos inorgánicos-orgánicos.

---

Correo electrónico: tob.amy@tobmachine.com

Skype: amywangbest86

Whatsapp/Número de teléfono: +86 181 2071 5609