Desde que se comercializaron en 1991, las baterías de iones de litio han recibido un éxito mundial. Sin embargo, esto no puede ocultar sus limitaciones intrínsecas en términos de seguridad, rendimiento, factor de forma y costos.

La mayoría de las tecnologías actuales de iones de litio emplean electrolitos líquidos, con sales de litio como LiPF6, LiBF4 o LiClO4 en un disolvente orgánico. Sin embargo, la interfaz de electrolito sólido, que es causada como resultado de la descomposición del electrolito en el electrodo negativo, limita la conductancia efectiva. Además, el electrolito líquido necesita costosas membranas para separar el cátodo y el ánodo, así como una carcasa impermeable para evitar fugas. Por lo tanto, el tamaño y la libertad de diseño de estas baterías están limitados. Además, los electrolitos líquidos tienen problemas de seguridad y salud, ya que utilizan líquidos inflamables y corrosivos. Firegate de Samsung ha destacado en particular los riesgos que incluso las grandes empresas incurren cuando se utilizan electrolitos líquidos inflamables.

Las baterías actuales de iones de litio de gama alta pueden alcanzar una densidad de energía de más de 700 Wh / L a nivel de celda, con un alcance máximo de conducción de aproximadamente 500 Km para vehículos eléctricos. Los materiales de cátodo de alto contenido de níquel que se están mejorando pueden impulsar aún más la densidad de energía, pero las características de los materiales activos pueden dibujar un umbral.

Las baterías de estado sólido Pueden ser un cambio de juego

El electrolito de estado sólido permite la integración de materiales de mejor rendimiento, como metal de litio y materiales de cátodos de alto voltaje. Sin embargo, se ha observado que las baterías de estado sólido de primera generación pueden contener tipos similares de materiales de electrodos activos, reemplazando el electrolito líquido por electrolito de estado sólido. En este caso, las baterías de estado sólido no tienen una ventaja obvia sobre las baterías de iones de litio de base líquida en términos de densidad de energía.

Sin embargo, las baterías de estado sólido todavía proporcionan valores en este caso. Como tanto los electrodos como el electrolito son de estado sólido, el electrolito sólido también se comporta como separador, lo que permite una reducción de volumen y peso debido a la eliminación de ciertos componentes (por ejemplo, separador y carcasa). Permiten una disposición más compacta de las celdas en el paquete de baterías. Por ejemplo, la disposición bipolar permite un mayor voltaje y capacidad a nivel de celda. La conexión simplificada proporciona espacio adicional en el paquete de baterías para más celdas.

Además, la eliminación de electrolitos líquidos inflamables puede ser una vía para baterías más seguras y duraderas, ya que son más resistentes a los cambios de temperatura y los daños físicos ocurridos durante el uso. Las baterías de estado sólido pueden soportar más ciclos de carga/descarga antes de la degradación, lo que promete una vida útil más larga. Una mejor seguridad significa menos electrónica de monitoreo de seguridad en los módulos/paquetes de baterías.

Por lo tanto, incluso las generaciones iniciales de baterías de estado sólido pueden tener una densidad de energía similar o incluso menor que las baterías convencionales de iones de litio, la energía disponible en el paquete de baterías puede ser comparable o incluso mayor que esta última.

Con la ventana electroquímica más grande que los electrolitos sólidos pueden proporcionar, se pueden usar materiales de cátodo de alto voltaje. Además, el ánodo metálico de litio de alta densidad de energía puede impulsar aún más la densidad de energía más allá de 1,000 Wh/L. Estas características pueden hacer que la batería de estado sólido cambie aún más.

Las tecnologías de la competencia dificultan la decisión

La inversión en varias compañías de baterías de estado sólido reflejó el enorme potencial de las baterías de estado sólido. Sin embargo, la batería de estado sólido no se basa en una sola tecnología. En cambio, hay múltiples enfoques tecnológicos disponibles en la industria. Los electrolitos de estado sólido se pueden segmentar aproximadamente en tres categorías: tipos orgánicos, tipos inorgánicos y compuestos. Dentro de la categoría inorgánica, LISICON, argiroditas, granate, NASICON, Perovskita, LiPÓN, Hidruro de litio y Haluro de litio se consideran 8 tipos populares. Los LISICONES y argiroditas pertenecen al sistema de sulfuros, mientras que el granate, el NASICÓN, la perovskita y el LiPÓN se basan en el sistema de óxido.

La carrera entre los sistemas de polímeros, óxidos y sulfuros no está clara hasta el momento y es común ver a las compañías de baterías probando múltiples enfoques. los sistemas de polímeros son fáciles de procesar y están más cerca de la comercialización, mientras que la temperatura de funcionamiento relativamente alta, el bajo potencial antióxido y la peor estabilidad indican desafíos. Los electrolitos de sulfuro tienen ventajas de alta conductividad iónica, baja temperatura de procesamiento, amplia ventana de estabilidad electroquímica, etc. Muchas características los hacen atractivos, siendo considerados por muchos como la opción definitiva. Sin embargo, la dificultad de fabricación y el subproducto tóxico que puede generarse en el proceso hacen que la comercialización sea relativamente lenta. El sistema de óxido es estable y seguro, mientras que la mayor resistencia de la interfaz y la alta temperatura de procesamiento muestran algunas dificultades en general.

En este informe, se introducen, analizan y comparan tecnologías detalladas. Para tener una mejor comprensión de las tecnologías de baterías de estado sólido, los jugadores, los mercados, las oportunidades, los desafíos y más, consulte el informe de IDTechEx «Baterías de estado sólido y polímeros 2020-2030: Tecnología, Patentes, Pronósticos, Jugadores», www.IDTechEx.com/SSB o para ver la cartera completa de investigación de Almacenamiento de energía disponible en IDTechEx, visite www.IDTechEx.com/Research/ES.

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