Contenido

• Ahorro de espacio
• Vida útil más larga
• Tipos de electrolitos en estado sólido
• Baterías de película delgada
• Baterías más grandes y voluminosas
• Altamente conductivo
• Envolver

Hace un par de semanas, Kris nos presentó el tema de las baterías de estado sólido y cómo podrían ser el próximo gran avance en la tecnología de baterías de teléfonos inteligentes. En resumen, las baterías de estado sólido son más seguras, pueden empacar más jugo y pueden usarse para dispositivos aún más delgados. Desafortunadamente, son prohibitivamente caros de poner en las celdas de teléfonos inteligentes de tamaño mediano en este momento, pero eso podría cambiar en los próximos años.

Entonces, si se ha estado preguntando qué es exactamente una batería de estado sólido y en qué se diferencia de las células de iones de litio de hoy en día, siga leyendo.

La diferencia clave entre la batería de iones de litio comúnmente utilizada y una batería de estado sólido es que la primera usa una solución electrolítica líquida para regular el flujo de corriente, mientras que las baterías de estado sólido optan por un electrolito sólido. El electrolito de una batería es una mezcla química conductora que permite el flujo de corriente entre el ánodo y el cátodo.

Las baterías de estado sólido aún funcionan de la misma manera que las baterías actuales, pero el cambio en los materiales altera algunos de los atributos de la batería, incluida la capacidad máxima de almacenamiento, los tiempos de carga, el tamaño y la seguridad.

La corriente dentro de una batería pasa entre el ánodo y el cátodo a través de un electrolito conductor, mientras que los separadores se utilizan para evitar un cortocircuito.

Ahorro de espacio

El beneficio inmediato de cambiar de un electrolito líquido a uno sólido es que la densidad de energía de la batería puede aumentar. Esto se debe a que en lugar de requerir grandes separadores entre las celdas de líquido, las baterías de estado sólido solo requieren barreras muy delgadas para evitar un cortocircuito.

Las baterías de estado sólido pueden acumular el doble de energía que el ion de litio

Los separadores de batería convencionales empapados de líquido vienen con un grosor de 20-30 micras. La tecnología de estado sólido puede disminuir los separadores a 3-4 micras cada uno, un ahorro de espacio de aproximadamente 7 veces simplemente cambiando materiales.

Sin embargo, estos separadores no son el único componente dentro de la batería y otros bits no pueden reducirse tanto, lo que limita el potencial de ahorro de espacio de las baterías de estado sólido.

Aun así, las baterías de estado sólido pueden acumular hasta el doble de energía que el ion de litio, al reemplazar también el ánodo con una alternativa más pequeña.

Vida útil más larga

Los electrolitos de estado sólido suelen ser menos reactivos que el líquido o gel de hoy en día, por lo que se espera que duren mucho más y no necesiten reemplazarlos después de solo 2 o 3 años. Esto también significa que estas baterías no explotarán ni se incendiarán si están dañadas o sufren defectos de fabricación, lo que significa productos más seguros para los consumidores.

Las baterías de estado sólido no explotarán ni se incendiarán si están dañadas o presentan defectos de fabricación.

En los teléfonos inteligentes actuales, las baterías reemplazables a menudo son buscadas por aquellos que buscan usar el mismo teléfono durante muchos años, ya que pueden cambiarse una vez que comienzan a descomponerse.

Las baterías de los teléfonos inteligentes a menudo no retienen su carga después de un año más o menos e incluso pueden hacer que el hardware se vuelva inestable, se reinicie o incluso deje de funcionar después de varios años de uso. Con baterías de estado sólido, los teléfonos inteligentes y otros dispositivos podrían durar mucho más tiempo sin necesidad de una celda de reemplazo.

Hay muchos compuestos químicos sólidos que podrían usarse en baterías, no solo uno.

Sin embargo, hablar de baterías líquidas versus baterías sólidas es una simplificación excesiva del tema, ya que hay muchos compuestos químicos sólidos que podrían usarse en las baterías, no solo uno.

Tipos de electrolitos en estado sólido

Hay ocho categorías principales diferentes de baterías de estado sólido, cada una de las cuales usa diferentes materiales para el electrolito. Estos son haluro de litio, perovskita, hidruro de litio, tipo NASICON, granate, argyrodita, LiPON y tipo LISICON.

Como todavía estamos lidiando con una tecnología emergente, los investigadores aún se están familiarizando con los mejores tipos de electrolitos de estado sólido para usar en diferentes categorías de productos. Ninguno ha salido como líderes claros todavía, pero las células a base de sulfuro, LiPON y Garnet se consideran actualmente las más prometedoras.

Probablemente habrás notado que muchos de estos tipos todavía están basados ​​en litio (Li) en algún aspecto, porque todavía usan electrodos de litio. Pero muchos están optando por nuevos materiales de electrodo de ánodo y cátodo para mejorar el rendimiento.

Baterías de película delgada

Incluso dentro de los tipos de baterías de estado sólido, hay dos subtipos bien definidos: película delgada y a granel. Uno de los tipos de película delgada más exitosos que ya está en el mercado es LiPON, que la mayoría de los fabricantes producen con un ánodo de litio.

El electrolito LiPON ofrece excelentes atributos de peso, grosor e incluso flexibilidad, lo que lo convierte en un tipo de celda prometedor para dispositivos electrónicos y dispositivos portátiles que requieren celdas pequeñas. Volviendo al tema de las células de mayor duración, LiPON también ha demostrado una excelente estabilidad con solo una reducción de capacidad del 5% después de 40,000 ciclos de carga.

Las baterías de LiPON pueden durar entre 40 y 130 veces más que las baterías de iones de litio antes de que tengan que reemplazarse.

A modo de comparación, las baterías de iones de litio solo ofrecen entre 300 y 1000 ciclos antes de mostrar una caída de capacidad similar o mayor. Esto significa que las baterías de LiPON pueden durar entre 40 y 130 veces más que las baterías de iones de litio antes de que tengan que reemplazarse.

La desventaja de LiPON es que su capacidad total de almacenamiento de energía y su conductividad son bastante pobres en comparación. Sin embargo, las tecnologías alternativas de baterías de estado sólido podrían ser la clave para brindar una mayor duración de la batería a los relojes inteligentes, lo que actualmente está retrasando a varios clientes de la compra de un dispositivo portátil.

Baterías más grandes y voluminosas

Hasta el momento, las baterías de estado sólido aún no son adecuadas para celdas más grandes que se encuentran en teléfonos inteligentes y tabletas, y mucho menos en computadoras portátiles o automóviles eléctricos. Para baterías de estado sólido a granel más grandes con una mayor capacidad, se requiere una conductividad superior que se acerque o iguale a los electrolitos líquidos, lo que descarta tecnologías prometedoras como LiPON. La conducción iónica mide la capacidad de los iones para moverse a través de un material, y una buena conducción es un requisito de las células más grandes para garantizar la corriente requerida.

LISICON y LiPS han superado la investigación de las baterías LiPO, LiS y SiS, los líderes anteriores en el campo del estado sólido. Sin embargo, estos tipos aún sufren una conductividad más baja que los electrolitos orgánicos y líquidos a temperatura ambiente, lo que los hace poco prácticos para productos comerciales.

Altamente conductivo

Aquí es donde entra la investigación sobre los electrolitos de óxido de granate (LLZO), ya que cuenta con una alta conductividad iónica a temperatura ambiente.

El material logra una conducción que viene solo ligeramente por detrás de los resultados ofrecidos por las células líquidas de iones de litio, y nuevos estudios en LGPS sugieren que este material podría incluso igualarlo.

Esto significaría baterías de estado sólido de aproximadamente la misma potencia y capacidad que las celdas de iones de litio de hoy en día, al tiempo que se ven los beneficios como un tamaño reducido y una vida útil más larga.

El granate también es estable en el aire y el agua, por lo que también es adecuado para baterías de Li-Air. Lamentablemente, debe fabricarse utilizando un costoso proceso de sinterización.

Esto lo convierte en una propuesta poco atractiva para su uso en baterías de consumo en comparación con el bajo costo de las células de iones de litio. En el futuro, es probable que los costos disminuyan a medida que se refinan las técnicas de fabricación, pero todavía estamos lejos de una batería de estado sólido comercialmente viable.

Envolver

Claramente, todavía hay mucha investigación en curso sobre la tecnología de batería de estado sólido. Según las predicciones más tempranas, no veremos cómo las células maduras se introducen en productos de consumo como los teléfonos inteligentes durante otros 4 o 5 años. Sin embargo, las baterías de estado sólido en otros dispositivos (como los drones) pueden aparecer tan pronto como el próximo año.

Aún así, la última investigación finalmente está produciendo resultados que pueden competir con las baterías de iones de litio existentes en términos de atributos, al tiempo que proporciona los beneficios de los electrolitos de estado sólido. Todo lo que necesitamos es que los procesos de fabricación maduren, y hay una serie de grandes y próximos fabricantes de baterías con los recursos para hacer esto realidad.

En resumen, los beneficios clave de todas estas diferencias químicas desde la perspectiva del consumidor son: una carga hasta 6 veces más rápida, hasta el doble de la densidad de energía, un ciclo de vida más largo de hasta 10 años en comparación con 2, y sin componentes inflamables. Eso sin duda será una bendición para los teléfonos inteligentes y otros dispositivos portátiles.