Batería de estado semisólido vs batería de iones de litio

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Batería de estado semisólido vs batería de iones de litio

Una batería se refiere a un espacio en una taza, comedero u otro recipiente o recipiente compuesto que contiene una solución electrolítica y electrodos metálicos para generar electricidad. Es un dispositivo que convierte la energía química en energía eléctrica. Tiene polos positivos y negativos. Con el avance de la tecnología, el término “batería” ahora generalmente se refiere a pequeños dispositivos que pueden generar energía eléctrica, como las células solares. Los parámetros de rendimiento de una batería incluyen principalmente fuerza electromotriz, capacidad, energía específica y resistencia. Al utilizar una batería como fuente de energía, se puede obtener un voltaje estable, una corriente estable, un suministro de energía estable a largo plazo, una corriente que se ve mínimamente afectada por factores externos y una estructura simple que es fácil de transportar. Las operaciones de carga y descarga son cómodas y sencillas. Las baterías no se ven influenciadas por las condiciones climáticas y temperaturas externas, y exhiben un rendimiento estable y confiable, desempeñando un papel importante en diversos aspectos de la vida social moderna.

Existen varios tipos comunes de baterías, que incluyen:

  1. Pila seca: Las pilas secas pertenecen a la categoría principal de baterías en fuentes de energía química y son baterías desechables. Se llaman pilas secas porque el electrolito de este tipo de fuente de energía química es una pasta que no fluye, a diferencia de las baterías con electrolitos fluidos. Las pilas secas son adecuadas para diversas aplicaciones, incluidas linternas, radios semiconductoras, grabadoras, cámaras, relojes electrónicos, juguetes, así como en defensa nacional, investigación científica, telecomunicaciones, navegación, aviación, medicina y otros sectores de la economía nacional.

Las baterías de plomo-ácido, que se basan en su fuerte rendimiento de descarga de alta corriente, características de voltaje estable, aplicabilidad en un amplio rango de temperaturas, gran capacidad de batería individual, alta seguridad, materias primas abundantes y reciclables y bajo costo, mantienen una posición firme en la mayoría de los campos de aplicación tradicionales y algunos emergentes. Hay un voltaje de 2 voltios entre los polos positivo y negativo de la batería de plomo-ácido. Una de las ventajas de las baterías de almacenamiento es que se pueden utilizar varias veces. Además, debido a su resistencia interna extremadamente baja, pueden proporcionar una gran corriente. Cuando suministran energía al motor de un automóvil, las baterías de plomo-ácido pueden generar corrientes instantáneas de más de 20 amperios. Durante la carga, la batería almacena energía eléctrica y durante la descarga convierte la energía química en energía eléctrica. Las baterías de plomo-ácido encuentran una amplia aplicación en automóviles, trenes, tractores, motocicletas, vehículos eléctricos, así como en comunicaciones, centrales eléctricas, transmisión de energía, instrumentación, fuentes de alimentación UPS y en los campos de aviones, tanques, barcos y sistemas de radar. , y más

Una batería de litio es un tipo de batería con litio como electrodo negativo. Se trata de una nueva batería de alta energía desarrollada después de los años 1960. Se clasifica según el electrolito utilizado:

  1. Batería de litio de sales fundidas de alta temperatura.
  2. Batería de litio con electrolito orgánico.
  3. Batería de litio con electrolitos inorgánicos no acuosos.
  4. Batería de litio de electrolito sólido.
  5. Batería de litio-agua.

Las ventajas de las baterías de litio incluyen alto voltaje de celda individual, gran energía específica, larga vida útil (hasta 10 años) y buen rendimiento a temperaturas altas y bajas (utilizables en el rango de -40 a 150 °C). Sin embargo, los inconvenientes incluyen un alto costo y una seguridad relativamente menor. Además, aún es necesario mejorar cuestiones como el retardo de tensión y los problemas de seguridad. El importante desarrollo de las baterías eléctricas y la aparición de nuevos materiales de electrodos positivos, especialmente el avance de los materiales de fosfato de hierro y litio, han contribuido en gran medida al progreso de las baterías de litio.

Baterías de iones de litio: Las baterías de iones de litio, comúnmente conocidas como baterías de litio, se utilizan en teléfonos inteligentes y computadoras portátiles. Estas baterías suelen utilizar materiales que contienen elementos de litio como electrodos y representan baterías modernas de alto rendimiento. Desarrolladas inicialmente por Sony en 1990, las baterías de iones de litio utilizan electrolitos orgánicos líquidos no acuosos. Es importante señalar que se pueden confundir fácilmente con otros dos tipos de baterías:

  1. Baterías de litio, con litio metálico como electrodo negativo.
  2. Baterías de polímero de iones de litio, que utilizan polímeros para gelatinizar disolventes orgánicos líquidos o utilizan directamente electrolitos en estado sólido. Las baterías de iones de litio generalmente emplean materiales de carbono similares al grafito como electrodo negativo.

Baterías de estado semisólido: Antes de profundizar en las baterías de estado semisólido, es necesario comprender qué son las baterías de estado sólido. Las baterías de estado sólido utilizan electrodos sólidos y electrolitos sólidos. Las baterías de litio líquido tradicionales, a menudo denominadas metafóricamente “baterías de mecedora”, tienen polos positivo y negativo en los extremos de la mecedora, con un electrolito líquido en el medio. Los iones de litio, actuando como atletas expertos, van y vienen entre los polos positivo y negativo, completando el proceso de carga y descarga de la batería. El principio de las baterías de estado sólido es similar, pero su electrolito es sólido. Esta densidad y estructura permiten que se acumulen más iones cargados en un lado, lo que facilita una mayor conducción de corriente y, por lo tanto, mejora la capacidad de la batería. En consecuencia, las baterías de estado sólido pueden ser más pequeñas con la misma cantidad de energía. Además, como no hay electrolito líquido, el sellado se vuelve más fácil, eliminando la necesidad de tuberías de refrigeración adicionales y controles electrónicos en dispositivos grandes como los automóviles, ahorrando así costos y reduciendo el peso.

Si bien el concepto de baterías de estado sólido no es nuevo, el progreso en su desarrollo no ha sido tan rápido como se imaginó inicialmente. La transición de la experimentación en laboratorio a la producción en masa todavía requerirá una cantidad de tiempo considerable, incluso si se pueden lograr reducciones de costos. Al igual que con las baterías de litio líquido en la década de 1970, la conceptualización y la verificación experimental avanzaron simultáneamente, pero su uso generalizado no se produjo hasta finales del siglo XX.

En esta fase de transición entre las baterías de litio líquido y las de estado sólido, han surgido las baterías de estado semisólido. Las baterías de estado semisólido tienen un electrodo en un lado que no contiene electrolito líquido, mientras que el otro lado contiene electrolito líquido. La proporción de masa o volumen de electrolito sólido en una sola celda es la mitad de la masa o volumen total del electrolito. Debido al electrolito sólido parcial, las baterías de estado semisólido ofrecen mayor seguridad en comparación con las baterías de litio líquido tradicionales. Son menos propensos a explotar, incluso cuando están perforados. Estas baterías utilizan materiales de alta densidad de energía, lo que proporciona una mayor densidad de energía y una vida útil de más de 2000 ciclos. Además, la reducción de electrolitos en las baterías de estado semisólido reduce efectivamente su peso. En términos de estructura de la batería, las baterías de estado semisólido suelen utilizar un formato de bolsa flexible con una película de aluminio y plástico que reemplaza los componentes de la carcasa de aluminio o acero. La marca china de vehículos eléctricos “NIO” emplea baterías de estado semisólido en sus vehículos.

A continuación se muestra el experimento de desmontaje y punción con aguja que realizamos en las celdas de batería semisólidas utilizadas en nuestros productos.

Baterías de iones de litio: Las baterías de iones de litio incorporan iones de litio en carbono (coque de petróleo y grafito) para formar el electrodo negativo (las baterías de litio tradicionales utilizan litio o aleaciones de litio como electrodo negativo). Los materiales de electrodos positivos comunes incluyen LixCoO2, LixNiO2 y LixMnO4. El electrolito consta de LiPF6 + carbonato de etileno (EC) + carbonato de dimetilo (DMC). El coque de petróleo y el grafito, utilizados como materiales de electrodos negativos, son recursos abundantes y no tóxicos. La incorporación de iones de litio en carbono supera la alta reactividad del litio, solucionando problemas de seguridad en las baterías de litio tradicionales. El electrodo positivo LixCoO2 consigue altos niveles de rendimiento y vida útil en carga y descarga, reduciendo costes. La reacción durante la carga y descarga de las baterías secundarias de iones de litio es la siguiente:

Baterías de estado semisólido: Las baterías de estado semisólido están compuestas por sustancias coloreadas que sirven como electrodos positivos, como el silicato de sodio (Na2Si2O5), metasilicato de sodio (Na2SiO3) o dióxido de silicio (SiO2), y sustancias coloreadas que sirven como electrodos negativos, como el dióxido de titanio. (TiO2), titanato de sodio (Na2TiO3) o subóxido de titanio (Ti4O7). Los materiales de los electrodos positivos pueden absorber y almacenar iones de litio, mientras que los materiales de los electrodos negativos pueden liberar iones de litio. Además, se pueden utilizar ciertas materias primas en la batería para mejorar el rendimiento de los materiales sólidos de los electrodos, como amina (etilamina, H3CNH2), bicarbonato de amonio (NH4HCO3), resina de flúor (Fluorine Resin), dimetilfosfato (Dimethyl Phosphate) y carboxilatos. El proceso de reacción del electrodo positivo en baterías de estado semisólido es complejo y la salida electrónica se deriva principalmente de las reacciones que ocurren en el electrodo positivo, y la velocidad de reacción depende de las concentraciones de reactivo y las velocidades de transferencia de electrones.

Comparación de rendimiento:

Baterías de iones de litio:

  1. Alto voltaje: El voltaje de una sola celda alcanza los 3,7-3,8 V, tres veces el de las baterías Ni-Cd y Ni-MH.
  2. Vida de ciclo largo: Generalmente superando los 500 ciclos, incluso superando los 1000 ciclos; El litio de hierro fosfórico puede alcanzar hasta 8000 ciclos.
  3. Buen desempeño de seguridad: Respetuoso con el medio ambiente y sin efecto memoria. Li-ion, el precursor de las baterías de iones de litio, elimina el riesgo de cortocircuitos debido a las dendritas de litio, ampliando su rango de aplicación.
  4. Baja autodescarga: Tasa de autodescarga de aproximadamente el 2 % después de un mes a temperatura ambiente, significativamente menor que la de Ni-Cd (25-30 %) y Ni-MH (30-35 %).
  5. Carga rápida: La carga de 1C durante 30 minutos puede alcanzar más del 80% de la capacidad nominal, y las baterías de hierro fosfórico pueden alcanzar el 90% en 10 minutos.
  6. Temperatura de funcionamiento: La temperatura de funcionamiento oscila entre -25 y 60 °C, con potencial de expandirse de -40 a 70 °C con mejoras en el electrolito y el electrodo positivo.

Baterías de estado semisólido:

  1. Peso ligero y alta densidad de energía: Los cambios en los sistemas de materiales aplicables, en particular el uso directo de litio metálico en lugar de grafito con litio incorporado como electrodo negativo, aumentan significativamente la densidad de energía.
  2. Volumen fino y pequeño: La eliminación de separadores y electrolitos líquidos reduce el espesor, lo que hace que la tecnología de baterías de estado semisólido sea esencial para la miniaturización y aplicaciones de película delgada.
  3. Flexibilidad: El uso de materiales cerámicos frágiles en baterías de estado semisólido, cuando se reduce a un espesor de escala milimétrica, permite flexibilidad. Los materiales de encapsulación adecuados permiten que la batería resista cientos o miles de curvaturas sin una degradación significativa del rendimiento.
  4. Seguridad mejorada: Elimina los peligros asociados con la formación de dendritas de litio bajo alta corriente y reduce el riesgo de reacciones, oxidación, generación de gas y combustión asociados con electrolitos líquidos orgánicos en baterías de litio tradicionales.

Comparación entre baterías de estado líquido y semisólido: En comparación con las baterías de estado líquido, la principal característica de las baterías de estado semisólido es la introducción de electrolitos de estado sólido, en sustitución de la combinación tradicional de electrolito líquido y separadores. Las baterías de estado semisólido emplean electrolitos mitad de estado sólido, lo que mejora significativamente la seguridad en comparación con las baterías de estado líquido. Actualmente, los principales desarrolladores chinos de baterías de estado semisólido incluyen Weilan New Energy, Ganfeng Lithium, Funeng Technology, Guoxuan High-Tech y Qingtao Energy, todos los cuales han logrado la industrialización de baterías de estado semisólido.

Ámbito de aplicación:

Baterías de iones de litio: En los últimos años, las baterías de iones de litio han encontrado aplicaciones generalizadas, incluidos sistemas de almacenamiento de energía en centrales hidroeléctricas, térmicas, eólicas y solares. También se utilizan ampliamente en herramientas eléctricas, bicicletas eléctricas, motocicletas eléctricas, vehículos eléctricos, equipos especiales, aeroespacial especial y varios otros campos. Las baterías de iones de litio se están expandiendo gradualmente a áreas como las bicicletas eléctricas y los vehículos eléctricos.

Baterías de estado semisólido: Las baterías de estado semisólido se pueden utilizar en vehículos aéreos tripulados, fumigación agrícola, patrullas industriales, extinción de incendios forestales, monitoreo de construcciones, transporte de carga, fotografía aérea, cartografía, productos electrónicos de consumo, almacenamiento de energía portátil y vehículos de nueva energía.

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