Aunque la transición de los vehículos de combustible a los eléctricos está cobrando impulso, la seguridad y la ansiedad energética siguen siendo las dos principales preocupaciones de las baterías eléctricas. Las baterías actuales, ya sean ternarias o de fosfato de hierro y litio, están limitadas en cuanto a la energía específica, independientemente del escenario de aplicación de las motos eléctricas o los vehículos eléctricos, lo que significa que si se quiere conseguir más autonomía, pero sin una tecnología innovadora, habrá que aumentar el peso de la batería.
Pero esto haría que la batería ocupara mucho espacio en el vehículo, lo que sin duda no favorece el diseño y el uso de los vehículos eléctricos, especialmente para las motos eléctricas más pequeñas.
Las baterías de estado sólido no contienen sustancias inflamables, como disolventes líquidos, electrolitos y aditivos, por lo que no hay riesgo de explosión o incendio, y por lo tanto el paquete de baterías es más simple y por lo tanto más eficiente en cuanto a espacio, lo que permite que haya espacio para más materiales activos para aumentar la capacidad de la batería.
La ventaja más evidente de las baterías de estado sólido respecto a las baterías líquidas que utilizan electrolitos de disolventes orgánicos es la densidad energética significativamente mayor, que permite que el coche y las motos eléctricas llegue más lejos en un volumen limitado.
Antecedentes industriales de las baterías de estado sólido
Actualmente, la batería 4860 de Tesla tiene la mayor densidad energética del sector, 300 Wh/kg, para las baterías de litio líquido, mientras que para las baterías de estado sólido, la densidad energética más allá de 400 Wh/kg es sólo un nivel de entrada. Por tanto, las baterías de estado sólido tienen un potencial ilimitado para los sistemas de baterías de los vehículos eléctricos que requieren módulos y paquetes de baterías de gran capacidad.
En términos de densidad energética y seguridad, los dos principales puntos débiles de las baterías de litio, las baterías de estado sólido destacan por su carácter disruptivo, aunque la dificultad y el elevado coste de fabricación de las baterías de estado sólido dificultan su comercialización en la actualidad.
En la actualidad, las baterías suelen prepararse añadiendo una porción de electrolito a una batería de estado sólido, que se divide en baterías de gel, semisólidas, cuasi-sólidas y totalmente sólidas según la cantidad de electrolito líquido que contenga la batería. Algunos especialistas también se refieren a las baterías de estado sólido que contienen algo de líquido colectivamente como baterías de estado semisólido.
Las baterías de estado semisólido no abordan fundamentalmente los problemas de seguridad, y las actuales baterías comerciales de estado semisólido son sólo productos de transición; a medida que el contenido de líquido disminuye gradualmente, las baterías de estado totalmente sólido serán la solución definitiva.
Se espera que las baterías de estado sólido que utilizan electrolitos sólidos en lugar de electrolitos orgánicos líquidos utilicen materiales de electrodos positivos y negativos de mayor capacidad específica para lograr un sistema de baterías de mayor energía específica, resolviendo completamente el problema de seguridad de las baterías, en línea con la futura dirección del desarrollo de las baterías secundarias, que es la fuente de energía ideal para los vehículos eléctricos y el almacenamiento de energía a gran escala.
Los electrolitos sólidos, el componente central de las baterías de estado sólido, son la clave para conseguir una alta densidad energética, una gran estabilidad de ciclo y un alto rendimiento de seguridad de las baterías de litio de estado sólido.
En general, los electrolitos sólidos se clasifican en polímeros, cerámicas inorgánicas y sistemas compuestos por ellos. El proceso de formación de la película de electrolito es un proceso clave en la fabricación de baterías de estado sólido y, gracias a décadas de investigación en el desarrollo de materiales, se han podido sintetizar y preparar con éxito diferentes tipos de electrolitos de estado sólido (polímeros, óxidos, sulfuros, etc.).
Electrolito sólido de sulfuro
En comparación con los iones de oxígeno, los iones de azufre son menos electronegativos y se unen menos a los iones de litio. El gran radio del ión azufre también permite que los canales de transporte de iones de litio sean más amplios en la estructura cristalina, facilitando el movimiento de los iones de litio.
Por lo tanto, los electrolitos sólidos de sulfuro tienen la mayor conductividad iónica de los tres tipos de electrolitos. Por ello, los electrolitos de estado sólido de sulfuro se han convertido en un tema de investigación muy importante para varias empresas e instituciones. Los electrolitos de sulfuro incluyen principalmente sulfuros vítreos, vitrocerámicos y cristalinos.
Las partículas de electrolito sólido sustituyen al electrolito y al diafragma en las baterías de litio comerciales. Debido a su alta conductividad iónica y a sus partículas blandas, los electrolitos de sulfuro no requieren un paso adicional de sinterización cuando se preparan en celdas y, por lo tanto, son adecuados para la producción por el método de recubrimiento, y su proceso de producción no difiere significativamente de los procesos de producción existentes para las baterías líquidas.
Sin embargo, para mejorar el contacto interfacial de la célula, suelen ser necesarios varios prensados en caliente tras el recubrimiento y la adición de una capa amortiguadora para mejorar el contacto interfacial.
Electrolitos sólidos de óxido
Los electrolitos sólidos de óxido contienen principalmente granate Li7La3Zr2O12 (LLZO), calcosina Li3.3La0.56TiO3 (LLTO), estructuras de calcosina inversa, conductores superiónicos de sodio (NASICON) y conductores superiónicos de litio (LISICON), que tienen una excelente estabilidad.
Entre las numerosas estructuras de óxido, el LATP(LiAlxTi2xPO)4 es una clase de materiales de óxido sólido estructurado NASICON, que es actualmente el objeto más estudiado debido a su elevada conductividad iónica de hasta 0,7 mS/cm.
En la actualidad, las baterías de estado sólido basadas en electrolitos de óxido pueden dividirse generalmente en tres categorías, que incluyen las baterías de estado sólido de película fina de óxido, las celdas de membrana de óxido y las baterías de electrolito compuesto de óxido orgánico.
Electrolitos poliméricos sólidos
En comparación con los electrolitos sólidos inorgánicos, los electrolitos poliméricos sólidos con sales de litio disueltas tienen las ventajas de la flexibilidad, el peso ligero, el bajo coste y la facilidad de procesamiento. Los electrolitos sólidos poliméricos suelen consistir en una matriz polimérica como PEO, PVDF, PAN y PMMA y algunas sales de litio como LiClO4, LiTFSI[LiN(CF3SO2)2], LiAsF6 y LiPF6. De ellos, el PEO contiene segmentos de cadena etoxi y tiene una alta solubilidad para las sales de litio y es el material de matriz polimérica más estudiado.
Además de estos sustratos poliméricos, hay una serie de monómeros de acrilato de diferentes pesos moleculares, como el PEGMEA y el PEGDA, que pueden prepararse como electrolitos poliméricos sólidos mediante polimerización in situ en forma de fotocurado o curado térmico y tienen una conductividad iónica de hasta 10-4S ▪ cm-1.
Además, los electrolitos poliméricos sólidos basados en policarbonato alifático se consideran una clase de electrolitos poliméricos sólidos debido a su estructura molecular especial y a su alta Además, los electrolitos poliméricos sólidos basados en policarbonatos alifáticos se consideran una clase muy prometedora de sistemas de electrolitos poliméricos debido a su estructura molecular especial y a sus elevadas constantes dieléctricas.
