Content

• Estalvi d’espai
• La vida és més llarga
• Tipus d'electròlits d'estat sòlid
• Piles de pel·lícula fina
• Bateries més grans i massisses
• Altament conductor
• Embolicar

Fa un parell de setmanes, Kris ens va presentar el tema de les bateries d’estat sòlid i com podrien ser el proper avenç important en la tecnologia de bateries d’smartphone. En resum, les bateries d’estat sòlid són més segures, poden embalar més suc i es poden utilitzar per a dispositius encara més fins. Malauradament, ara mateix són costosos prohibir posar-los en mòbils de telèfons intel·ligents de mida mitjana, però això podria canviar en els propers anys.

Per tant, si us heu preguntat què és exactament una bateria d’estat sòlid i com és de diferent a les cèl·lules d’ió de liti actuals, llegiu

La diferència clau entre la bateria d’ions de liti d’ús comú i una d’estat sòlid és que la primera utilitza una solució electrolítica líquida per regular el flux de corrent, mentre que les bateries d’estat sòlid opten per un electròlit sòlid. L’electròlit d’una bateria és una barreja química conductora que permet el flux de corrent entre l’ànode i el càtode.

Les bateries d’estat sòlid encara funcionen de la mateixa manera que les bateries actuals, però el canvi de materials altera alguns dels atributs de la bateria, inclosa la capacitat d’emmagatzematge màxima, els temps de càrrega, la mida i la seguretat.

El corrent dins d’una bateria passa entre l’ànode i el càtode mitjançant un electròlit conductor, mentre que els separadors s’utilitzen per evitar un curtcircuit.

Estalvi d’espai

L’avantatge immediat de passar d’un electròlit líquid a un sòlid és que la densitat d’energia de la bateria pot augmentar. Això es deu a que en lloc de requerir grans separadors entre les cèl·lules líquides, les bateries d’estat sòlid només requereixen barreres molt primes per evitar un curtcircuit.

Les bateries d’estat sòlid poden acumular el doble d’energia que el Li-ion

Els separadors convencionals de bateria empapats amb líquid incorporen un gruix de 20-30 micres. La tecnologia d’estat sòlid pot disminuir els separadors fins a 3-4 micres cadascun, un estalvi d’espai aproximadament 7 vegades tan sols amb el canvi de materials.

Tanmateix, aquests separadors no són l’únic component de la bateria i altres bits no es poden reduir tant, limitant el potencial d’estalvi d’espai de les bateries d’estat sòlid.

Tot i així, les bateries d’estat sòlid poden acumular fins a un doble d’energia que el Li-ion, en substituir l’ànode amb una alternativa més petita.

La vida és més llarga

Els electròlits a l'estat sòlid solen ser menys reactius que el líquid o el gel d'avui, de manera que es pot esperar que tinguin una durada molt més gran i no caldrà substituir-los al cap de dos o tres anys. Això també significa que aquestes bateries no podran explotar o incendiar-se si estan danyades o pateixen defectes de fabricació, cosa que significa productes més segurs per als consumidors.

Les bateries d’estat sòlid no esclataran ni s’incendiran si estan danyades o pateixen defectes de fabricació.

En els telèfons intel·ligents actuals, sovint es busquen bateries reemplaçables per als que busquen utilitzar el mateix telèfon durant molts anys, ja que es poden canviar un cop es comencen a descompondre's.

Les bateries de telèfons intel·ligents sovint no es mantenen a les seves càrregues al cap d'un any i fins i tot poden fer que el maquinari es torni inestable, es restablís o fins i tot deixi de funcionar després de diversos anys d'ús. Amb bateries d’estat sòlid, els telèfons intel·ligents i altres aparells poden durar molt més temps sense necessitat de fer una cel·la de recanvi.

Hi ha molts compostos químics sòlids que es poden utilitzar en bateries, no només en un.

Parlar de bateries líquides versus sòlides és una sobredimplicació del tema, però, ja que hi ha molts compostos químics sòlids que es podrien utilitzar en bateries, no només una.

Tipus d'electròlits d'estat sòlid

Hi ha vuit categories principals diferents de bateries d’estat sòlid, que cadascuna utilitza materials diferents per a l’electròlit. Es tracta de Li-Halide, Perovskite, Li-Hydride, NASICON, Garnet, Argyrodite, LiPON i LISICON.

Encara que encara tractem amb una tecnologia emergent, els investigadors continuen abordant els millors tipus d’electròlits d’estat sòlid que es poden utilitzar per a diferents categories de productes. Cap ha sortit fins ara com a líders clars, però actualment les cèl·lules basades en sulfurs, LiPON i Garnet són les més prometedores.

Probablement haureu adonat que molts d’aquests tipus encara són de liti (Li) en algun aspecte, perquè encara utilitzen elèctrodes de liti. Però molts opten per nous materials amb elèctrodes anòdics i catòdics per millorar el rendiment.

Piles de pel·lícula fina

Fins i tot dins dels tipus de bateries d’estat sòlid, hi ha dos subtipus de tall clar: pel·lícula fina i granel. Un dels tipus de pel·lícula prima amb més èxit que ja hi ha al mercat és LiPON, que la majoria dels fabricants produeixen amb un ànode de liti.

L’electròlit LiPON ofereix uns atributs de pes, gruix i fins i tot flexibilitat excel·lents, cosa que el converteix en un tipus de cèl·lula prometedor per a aparells d’electrònica i aparells que necessiten cèl·lules petites. Tornant al tema de les cèl·lules més duradores, LiPON també ha demostrat una estabilitat excel·lent, amb només una reducció de capacitat del 5% després de 40.000 cicles de càrrega.

Les bateries LiPON podrien durar entre 40 i 130 vegades més que les bateries de ions Li abans de necessitar la seva substitució.

Per comparació, les bateries d’ions de liti només ofereixen entre 300 i 1000 cicles abans de mostrar una caiguda de capacitat similar o major. Això significa que les bateries LiPON podrien durar entre 40 i 130 vegades més que les bateries de ions Li abans que calguin substituir-les.

L’avantatge de LiPON és que la seva capacitat d’emmagatzematge d’energia i la conductivitat són bastant pobres en comparació. Tanmateix, les tecnologies alternatives de bateria d'estat sòlid podrien ser la clau per dur més durada de la bateria als rellotges intel·ligents, cosa que actualment impedeix que alguns clients triguin a portar un material que es pugui portar.

Bateries més grans i massisses

Fins al moment, les bateries d’estat sòlid encara no són adequades per a cèl·lules més grans que es troben en telèfons intel·ligents i tauletes, ni molt menys els ordinadors portàtils o els cotxes elèctrics. Per a bateries massives d’estats sòlids més grans amb una capacitat més gran, es necessita una conductivitat superior que s’acosta o s’ajusta als electròlits líquids, que descarten tecnologies prometedores d’altra manera com LiPON. La conducció jònica mesura la capacitat dels ions per moure's a través d'un material, i una bona conducció és un requisit de cèl·lules més grans per assegurar el corrent requerit.

LISICON i LiPS han superat la investigació sobre les bateries LiPO, LiS i ​​SiS, els líders anteriors en el camp de l'estat sòlid. Tot i això, aquests tipus encara pateixen una conductivitat menor que els electròlits orgànics i líquids a temperatura ambient, cosa que els fa poc pràctics per als productes comercials.

Altament conductor

Aquí és on s’inicia la investigació sobre electròlits d’òxid de granat (LLZO), ja que té una gran conductivitat iònica a temperatura ambient.

El material aconsegueix una conducció que només arriba lleugerament per darrere dels resultats que ofereixen les cèl·lules d’ió de liti líquid, i nous estudis sobre LGPS suggereixen que aquest material fins i tot podria igualar-lo.

Això suposaria bateries d’estat sòlid d’aproximadament igual potència i capacitat que les cèl·lules de ions Li actuals, alhora que es veuen beneficis com la mida reduïda i la vida útil més llarga.

El granat també és estable en l'aire i l'aigua, pel que és adequat a les bateries de Li-Air. Malauradament s’ha de fabricar utilitzant un costós procés de sinterització.

Actualment, això fa que sigui una proposta poc atractiva per a l'ús en bateries de consum en comparació amb el baix cost de les cèl·lules d'ió de liti. En el futur, és probable que els costos es redueixin a mesura que es perfeccionin les tècniques de fabricació, però seguirem allunyant-nos d’una bateria d’estat sòlid viable comercialment.

Embolicar

És evident que encara hi ha moltes investigacions en curs sobre tecnologia de bateries d’estat sòlid. No veurem que les cèl·lules madures s’endinsin en productes de consum com els telèfons intel·ligents durant quatre o cinc anys més, segons les primeres prediccions. Tanmateix, poden aparèixer bateries d’estat sòlid en altres dispositius (com els drons) tan aviat com l’any que ve.

Tot i així, la darrera investigació està produint finalment resultats que poden competir amb les bateries de ions li existents en termes d’atributs, alhora que proporcionen els avantatges dels electròlits d’estat sòlid. Tot el que necessitem és que els processos de fabricació madurin i hi ha diversos fabricants de bateries importants i propers amb els recursos per fer-ho realitat.

En resum, els principals beneficis de totes aquestes diferències químiques des del punt de vista del consumidor són: fins a 6 vegades la càrrega més ràpida, fins a dues vegades la densitat d’energia, una vida útil més gran del cicle de fins a 10 anys en comparació amb els dos i no components inflamables. Sens dubte, això serà una avantatge per als telèfons intel·ligents i altres dispositius portàtils.