Una batería de estado sólido es una tecnología de batería que utiliza electrodos sólidos y un electrolito sólido , en lugar de los electrolitos líquidos o de gel de polímero que se encuentran en las baterías de iones de litio o de polímero de litio. [1] [2]
Si bien los electrolitos sólidos se descubrieron por primera vez en el siglo XIX, varios inconvenientes, como las bajas densidades de energía , han impedido su aplicación generalizada. Los desarrollos de finales del siglo XX y principios del XXI han provocado un renovado interés en las tecnologías de baterías de estado sólido, especialmente en el contexto de los vehículos eléctricos , a partir de la década de 2010.
Los materiales propuestos para su uso como electrolitos sólidos en baterías de estado sólido incluyen cerámicas (por ejemplo, óxidos, sulfuros, fosfatos) y polímeros sólidos. Las baterías de estado sólido se han utilizado en marcapasos , RFID y dispositivos portátiles . Son potencialmente más seguros, con densidades de energía más altas, pero a un costo mucho mayor. Los desafíos para la adopción generalizada incluyen energía y densidad de potencia , durabilidad , costos de materiales , sensibilidad y estabilidad. [3]
Historia
Entre 1831 y 1834, Michael Faraday descubrió los electrolitos sólidos sulfuro de plata y fluoruro de plomo (II) , que sentó las bases de los iónicos de estado sólido . [4] [5]
A fines de la década de 1950, varios sistemas electroquímicos empleaban electrolitos sólidos. Usaban un ión de plata , pero tenían algunas cualidades indeseables, incluida baja densidad de energía y voltajes de celda, y alta resistencia interna. [6] En la década de 1990 surgió una nueva clase de electrolito de estado sólido, desarrollado por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge , que luego se utilizó para fabricar baterías de iones de litio de película delgada . [7]
A medida que la tecnología avanzaba hacia el nuevo milenio, los investigadores y las empresas que operan en las industrias automotriz y del transporte experimentaron un interés revitalizado en las tecnologías de baterías de estado sólido. En 2011, Bolloré lanzó una flota de sus modelos de automóviles BlueCar, primero en cooperación con el servicio de uso compartido de automóviles Autolib , y luego se lanzó a los clientes minoristas. El automóvil estaba destinado a mostrar la diversidad de celdas eléctricas de la compañía en la aplicación, y presentaba una batería de polímero de metal de litio (LMP) de 30 kWh con un electrolito polimérico, creado al disolver sal de litio en un copolímero ( polioxietileno ).
En 2012, Toyota pronto siguió su ejemplo y comenzó a realizar investigaciones experimentales en baterías de estado sólido para aplicaciones en la industria automotriz con el fin de seguir siendo competitivo en el mercado de vehículos eléctricos . [8] Al mismo tiempo, Volkswagen comenzó a asociarse con pequeñas empresas de tecnología especializadas en la tecnología.
Se produjo una serie de avances tecnológicos. En 2013, investigadores de la Universidad de Colorado Boulder anunciaron el desarrollo de una batería de litio de estado sólido, con un cátodo compuesto sólido basado en una química de hierro y azufre , que prometía una mayor capacidad energética en comparación con las SSB ya existentes. [9] Y luego, en 2014, los investigadores de la startup Sakti3 , con sede en Ann-Arbor, MI, anunciaron la construcción de su propia batería de iones de litio de estado sólido, afirmando que producía una densidad de energía aún mayor por menores costos; [10] en respuesta, el fabricante de electrodomésticos Dyson adquirió estratégicamente Sakti3 por $ 90 millones. [11] [12]
En 2017, John Goodenough , el co-inventor de las baterías de iones de litio, dio a conocer una batería de estado sólido, que utiliza un electrolito de vidrio y un ánodo de metal alcalino que consta de litio , sodio o potasio . [13] Más tarde ese año, Toyota anunció la profundización de su asociación de décadas con Panasonic , incluida una colaboración sobre baterías de estado sólido. [14] Debido a su intensa investigación temprana y colaboraciones coordinadas con otros líderes de la industria, Toyota posee la mayoría de las patentes relacionadas con SSB. [15] Sin embargo, otros fabricantes de automóviles que desarrollan de forma independiente tecnologías de baterías de estado sólido se unieron rápidamente a una lista creciente que incluye a BMW , [16] Honda , [17] Hyundai Motor Company [18] y Nissan . [19] Fisker Inc. ha generado una solución interna patentada para la producción de SSB para aplicaciones de vehículos con SSB, pero el objetivo inicial agresivo de llevar el súper sedán EMotion a los mercados de consumidores para su comercialización en 2020 se retrasó considerablemente en favor de los vehículos convencionales. Vehículos eléctricos que podrían competir con el Tesla Model Y en 2020. [20] Dyson anunció [11] y luego abandonó [21] un plan para construir un automóvil eléctrico SSB a través de sus activos Sakti3, aunque las portavoces de Dyson reiteraron el compromiso de la compañía con invirtiendo fuertemente en la tecnología. [12] Otras empresas relacionadas con la automoción, como el fabricante de bujías NGK , han adaptado su experiencia y modelos comerciales para satisfacer la demanda cambiante de baterías de estado sólido de base cerámica, ante la obsolescencia percibida del paradigma convencional de los combustibles fósiles. [22]
Los principales desarrollos continuaron desarrollándose en 2018, cuando Solid Power, escindido del equipo de investigación de la Universidad de Colorado en Boulder, [23] recibió $ 20 millones en fondos de Samsung y Hyundai para establecer una pequeña línea de fabricación que podría producir copias de sus productos totalmente sólidos. -prototipo de batería de litio-metal recargable estatal, [24] con una capacidad prevista de 10 megavatios hora por año. [25] QuantumScape , otra puesta en marcha de baterías de estado sólido que surgió de un grupo de investigación colegiado (en este caso, la Universidad de Stanford ) llamó la atención ese mismo año, cuando Volkswagen anunció una inversión de $ 100 millones en la investigación del equipo, convirtiéndose en la mayor parte interesada, acompañado por el inversor Bill Gates . [26] Con el objetivo de establecer un proyecto de producción conjunta para la producción en masa de baterías de estado sólido, Volkswagen dotó a QuantumScape con $ 200 millones adicionales en junio de 2020, y la OPI de QuantumScape en la NYSE el 29 de noviembre de 2020, como parte de una fusión con Kensington Capital Acquisition, para obtener capital social adicional para el proyecto. [27] [28]
Qing Tao también inició la primera línea de producción china de baterías de estado sólido en 2018, con la intención inicial de suministrar SSB para "equipos especiales y productos digitales de alta gama"; sin embargo, la compañía ha hablado con varios fabricantes de automóviles con la intención de expandirse potencialmente al espacio automotriz. [29]
En 2021, Toyota presentará un prototipo de vehículo eléctrico alimentado por baterías de estado sólido, con planes adicionales para ser el primer fabricante de automóviles en vender un vehículo eléctrico con baterías de estado sólido. [30] Solid Power anticipa "ingresar al proceso formal de calificación automotriz" a principios de 2022, [31] y QuantumScape tiene "programada la producción en masa para comenzar en la segunda mitad de 2024". [28] De manera similar, Fisker ha alegado que su tecnología de baterías de estado sólido debería estar lista para la "producción de grado automotriz" en 2023. [32]
El 26 de febrero de 2021, Fisker anunció que, basándose en dificultades imprevistas y obstáculos insuperables percibidos, la compañía decidió abandonar por completo su esfuerzo de SSB. [33]
Materiales
Los materiales candidatos a electrolitos de estado sólido incluyen cerámicas tales como ortosilicato de litio , [34] vidrio [13] y sulfuros. [35] 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, 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 . [36]
Un material de cátodo 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 de LiCoO 2 ". El azufre hace 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. [36] 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 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 una utilización del 63% del área de electrolito" fue "71 Wh / kg". mientras que la densidad de energía proyectada fue de 500 Wh / kg. [37]
El Li-O 2 también tiene una alta capacidad teórica. El problema principal con estos dispositivos es que el ánodo debe estar sellado de la atmósfera ambiental, mientras que el cátodo debe estar en contacto con él. [36]
Una batería Li / LiFePO 4 se muestra 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". [38]
Usos
Las baterías de estado sólido han encontrado un uso potencial en marcapasos , RFID y dispositivos portátiles . [39] [40]
Vehículos eléctricos
Los coches eléctricos híbridos y enchufables utilizan una variedad de tecnologías de baterías, que incluyen iones de litio, níquel-hidruro metálico (NiMH) , plomo-ácido y condensadores eléctricos de doble capa (o ultracondensadores) [41] dirigidos por iones de litio. . [42]
Desafíos
Costo
Las baterías de estado sólido son tradicionalmente caras de fabricar [43] y emplean procesos de fabricación que se cree que son difíciles de escalar, lo que requiere un costoso equipo de deposición al vacío . [7] Como resultado, los costos se vuelven prohibitivos en las aplicaciones basadas en el consumidor. En 2012 se estimó que, con base en 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 1000 de tales celdas. [7] Asimismo, el costo ha impedido la adopción de baterías de estado sólido en otras áreas, como los teléfonos inteligentes . [39]
Sensibilidad a la temperatura y la presión
Las operaciones a baja temperatura pueden ser un desafío. [43] Históricamente, las baterías de estado sólido tuvieron un rendimiento deficiente. [9]
Las baterías de estado sólido con electrolitos cerámicos requieren alta presión para mantener el contacto con los electrodos. [44] Las baterías de estado sólido con separadores de cerámica pueden romperse debido a esfuerzos mecánicos. [7]
Dendritas
Los ánodos de metal de litio sólido (Li) en baterías de estado sólido son candidatos de reemplazo en baterías de iones de litio para 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 . [45]
Las dendritas penetran en el separador entre el ánodo y el cátodo provocando cortocircuitos . Esto provoca un sobrecalentamiento , que puede resultar en incendios o explosiones por fugas térmicas . [46] Las dendritas de Li reducen la eficiencia culómbica . [47]
Las dendritas se forman comúnmente durante la electrodeposición [48] durante la carga y descarga . Los iones de litio se combinan con los electrones en la superficie del ánodo cuando la batería se carga, formando una capa de metal de litio. [49] Idealmente, la deposición de litio ocurre uniformemente en el ánodo. Sin embargo, si el crecimiento es desigual, se forman dendritas. [50]
Se descubrió que la interfase de electrolitos sólidos estable (SEI) es la estrategia más eficaz para inhibir el crecimiento de las dendríticas y aumentar el rendimiento del ciclo. [47] Los electrolitos de estado sólido (SSE) pueden prevenir el crecimiento de dendrita, aunque esto sigue siendo especulativo. [46] Un estudio de 2018 identificó separadores cerámicos nanoporosos que bloquean el crecimiento de dendrita de Li hasta densidades de corriente críticas . [51]
Ventajas
Se cree que la tecnología de baterías de estado sólido ofrece densidades de energía más altas (2,5x), [52] al permitir ánodos de metal de litio.
Pueden evitar el uso de materiales peligrosos o tóxicos que se encuentran en las baterías comerciales, como los electrolitos orgánicos. [53]
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. [1] [53] Estudios recientes muestran que la generación de calor en el interior es solo ~ 20-30% de las baterías convencionales con electrolito líquido en estado de fuga térmica. [54]
Se cree que la tecnología de batería de estado sólido permite una carga más rápida. [55] [56] También es posible un voltaje más alto y un ciclo de vida más largo. [53] [43]
Ver también
- Electrolito de estado sólido
- Bivalente
- Conductor de iones rápido
- Conductividad iónica
- Cristal iónico
- John B. Goodenough
- Lista de tipos de baterías
- Batería de litio-aire
- María Elena Braga
- Separador (electricidad)
- Batería de iones de litio de película fina
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- Baterías de estado sólido ¿quién está haciendo qué? en YouTube
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