Con la creciente demanda de energía, también surgen nuevas tecnologías de baterías. La batería líquida, la batería semisólida y la batería de estado sólido son algunos de los tipos más comunes.
En este artículo se ofrece una visión general de estas baterías y se presentan los materiales, la estructura, el proceso de fabricación y el rendimiento de las baterías. batería de estado sólido vs batería de estado semisólido vs batería líquida para comprender mejor los últimos avances de la tecnología de las pilas.
La introducción de la pila líquida
La pila líquida es uno de los primeros tipos de pila, y su interior se compone de un electrodo positivo, un electrodo negativo, electrolito de batería y el separador. En las pilas líquidas, el electrolito actúa como transmisor de iones, permitiendo que la carga fluya entre los electrodos positivo y negativo.
Las pilas líquidas presentan las siguientes ventajas:
- Grande capacidad de la batería, alta densidad energética de las baterías de litio.
- Bajo mantenimiento de la batería coste.
Sin embargo, también existen las siguientes desventajas:
- Fácil de filtrar, riesgos de seguridad.
- La protección del medio ambiente no es buena, el electrolito contiene sustancias nocivas.
- La vida es corta y los electrolitos deben reponerse con frecuencia.
Las baterías líquidas se utilizan principalmente en automóviles, barcos y otros equipos de gran potencia, así como en el ámbito militar.
La introducción de la pila semisólida
La batería semisólida es una nueva tecnología de baterías entre la batería líquida y la batería sólida. En el interior de la batería semisólida se utiliza un material polimérico con una estructura microporosa en lugar del electrolito tradicional, de modo que los iones positivos y negativos pueden transferirse a través del polímero. Las pilas semisólidas presentan las siguientes ventajas
- Alta seguridad, no es fácil que se produzcan fugas.
- Buena protección del medio ambiente, el material puede reciclarse.
- Largo ciclo de vida de la batería.
Sin embargo, también existen las siguientes desventajas:
- La capacidad de la batería es relativamente pequeña.
- La resistencia al flujo es grande, lo que se traduce en una velocidad de carga lenta.
Las baterías de estado semisólido se utilizan principalmente en wearables inteligentes, energía para móviles y otros dispositivos electrónicos pequeños.
La introducción de la batería de estado sólido
La batería de estado sólido es una de las nuevas tecnologías de baterías más populares de los últimos años, y su electrolito sólido interno sustituye al electrolito líquido tradicional. Por tanto, las baterías de estado sólido presentan las siguientes ventajas:
- Alta seguridad, no es fácil que se produzcan fugas ni explosiones.
- Alta densidad energética, alta eficiencia de carga y descarga.
- Puede funcionar a temperaturas más bajas.
Sin embargo, también existen las siguientes desventajas:
- El proceso de producción es complejo y costoso.
- El mantenimiento es difícil y la batería dañada no puede repararse.
Las baterías de estado sólido son una de las nuevas tecnologías de baterías más utilizadas, sobre todo en aparatos electrónicos de consumo como teléfonos inteligentes y ordenadores portátiles.
Comparación de estructuras: batería de estado sólido frente a batería de estado semisólido frente a batería líquida
A continuación se comparan las estructuras de la batería de estado sólido, la batería de estado semisólido y la batería líquida:
Batería líquida
Los electrolitos son uno de los materiales clave de las pilas líquidas. El electrolito conduce iones entre los materiales de los electrodos positivo y negativo dentro de la pila.
Garantiza la eficacia del circuito interno, desempeña un papel clave en la densidad de energía, la densidad de potencia, la vida útil del ciclo y el rendimiento de seguridad, y se conoce como la "sangre" de la batería. La tecnología la proporcionan las 10 principales empresas nacionales de electrolitos para baterías de iones de litio, y China ha madurado bastante.
Batería de estado semisólido
La pila retiene parte del electrolito y la estructura del separador. Las baterías semisólidas necesitan retener una pequeña cantidad de electrolito junto al electrolito sólido para mejorar la conductividad, por lo que se necesita un separador para separar los electrodos positivo y negativo. Dependiendo de la tecnología, los electrolitos sólidos también se presentan en forma granular y de película.
Batería de estado sólido
Sin residuos de electrolito, hay que estudiar el separador. En una batería de estado sólido, el electrolito se sustituirá por completo por un electrolito sólido. La sustitución del separador depende de diferentes vías técnicas. En algunas soluciones tecnológicas de baterías de estado sólido, el separador se mantiene como arquitectura del electrodo de soporte; en otros casos, el diafragma se elimina por completo.
Comparación de los materiales de las pilas: pilas de estado sólido, pilas de estado semisólido y pilas líquidas
Los materiales de la batería de estado sólido frente a la batería de estado semisólido frente a la batería líquida son los siguientes:
Batería líquida
La batería líquida se compone de cuatro materiales clave: material del electrodo positivo, material del electrodo negativo, separador y electrolito, y su coste asciende a 45%, 15%, 18% y 10%, respectivamente. El principal componente del electrolito líquido es un disolvente orgánico, que disuelve las sales de litio y proporciona un portador para los iones de litio.
Batería de estado semisólido
El material utilizado es básicamente el mismo que el de la pila líquida. La batería de litio semisólida utiliza un electrolito gel, toma un polímero como "película base" del electrolito, añade sal de litio, añade un disolvente orgánico de bajo peso molecular y obtiene una sustancia con conductividad iónica entre un electrolito sólido y un electrolito líquido mediante activación por inmersión.
Batería de estado sólido
En cuanto a las baterías de litio de estado sólido, el material del electrodo positivo puede continuar el material del electrodo positivo de las baterías de iones de litio, y el material del electrodo negativo es litio metálico sin separador. En la actualidad, existen cuatro áreas principales de investigación: batería de sulfuro de litio, batería de óxido de litio, batería de óxido de litio, batería de electrolito compuesto de litio.
Comparación del rendimiento de la batería: batería de estado sólido frente a batería de estado semisólido frente a batería líquida
La batería de estado sólido frente a la batería de estado semisólido frente a la batería líquida difieren en el rendimiento de la batería en los siguientes aspectos：.
Densidad energética
Según los informes, la mayor densidad energética de las baterías líquidas es de 300 Wh/kg. Según los informes, la batería semisólida es de 360 Wh/kg, y la densidad energética mejorará aún más mejorando los materiales de los electrodos positivo y negativo. La densidad energética actual de las baterías de estado sólido es de 400 Wh/kg y se espera que alcance los 900 Wh/kg.
Seguridad
La seguridad de la batería de estado sólido es la mejor, porque no hay electrolito líquido inflamable, no se quema, no hay fugas, no hay corrosión, la batería semisólida en el medio, la batería líquida es la peor.
Rendimiento a altas y bajas temperaturas
Las baterías de estado sólido tienen el mejor rendimiento a alta temperatura y el peor a baja temperatura. Las baterías líquidas tienen el mejor rendimiento a baja temperatura y el peor a alta temperatura.
Duración de la batería
Las baterías de estado sólido tienen una vida útil más larga porque no tienen problemas como la corrosión y las fugas. Las baterías semisólidas se encuentran en un término medio. Las baterías líquidas tienen margen de mejora para alargar su vida útil.
Comparación del proceso de fabricación: batería de estado sólido frente a batería de estado semisólido frente a batería líquida
El proceso de fabricación de la batería de estado sólido frente a la batería de estado semisólido frente a la batería líquida difiere en los siguientes aspectos:
Batería líquida
El proceso de producción de baterías líquidas se divide en tres etapas: antes, durante y después. La finalidad del proceso previo es transformar las materias primas en láminas polares, y el proceso central es el revestimiento.
El objetivo de la sección intermedia es procesar la hoja de polos en un proceso de sección intermedia de batería inactiva, que incluye principalmente el bobinado/apilado de la célula de batería y la inyección de la célula de batería. La última parte del proceso es la prueba y el embalaje.
Batería semisólida
El proceso de preparación de las pilas semisólidas es compatible con el proceso tradicional de producción de pilas de litio. Las baterías semisólidas pueden introducirse rápidamente en el mercado porque toman prestado en la medida de lo posible el equipo y los procesos de las baterías líquidas existentes, de las que sólo 10%-20% tienen requisitos de equipo de proceso diferentes.
Batería de estado sólido
El proceso de producción de las baterías de estado sólido es algo distinto del de las baterías de iones tradicionales. La solución electrolítica de una pila de estado sólido utiliza una mezcla sol-gel que requiere secado para vaporizar el disolvente y obtener una película electrolítica sólida, lo que requiere procesos adicionales de recubrimiento electrolítico e irradiación UV y horneado. Al no haber electrolito, no se requiere ningún proceso de inyección.
Resumen
Las baterías de estado sólido admiten diseños de láminas de tan sólo unos nanómetros, lo que amplía la gama de aplicaciones de las baterías de iones de litio y hace posible su independencia y flexibilidad.
Debido a su seguridad y a su potencial alta densidad energética, las baterías de estado sólido se consideran una importante dirección de desarrollo para la próxima generación de baterías de potencia. Sin embargo, el electrolito sólido sigue teniendo el cuello de botella de la baja conductividad iónica y la escasa compatibilidad y estabilidad de la interfaz electrodo/electrolito.
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