Baterias de estado sólido e seus principais materiais

O que é uma bateria de estado sólido? A bateria tradicional de íons de lítio inclui quatro componentes principais: eletrodo positivo, eletrodo negativo, eletrólito e separador. Uma bateria de estado sólido substitui o eletrólito por um eletrólito sólido. Em comparação com as baterias tradicionais de íons de lítio, a principal diferença das baterias de estado sólido reside no fato de que o eletrólito mudou de líquido para sólido, com segurança e alta densidade de energia. As baterias eletrolíticas de estado sólido são a forma definitiva de baterias de lítio e sódio, que podem resolver completamente os problemas de segurança e são, sem dúvida, as protagonistas da segunda metade do novo mercado de energia. A cadeia da indústria de baterias de estado sólido é aproximadamente semelhante à das baterias de lítio líquido. O upstream inclui matérias-primas, mineração, máquinas e equipamentos e materiais básicos. A principal diferença entre os dois está nos tipos de materiais de eletrodos negativos e eletrólitos. Os materiais dos eletrodos positivos são quase os mesmos. Se for totalmente desenvolvido em uma bateria totalmente de estado sólido, o separador também será completamente substituído. O meio da cadeia industrial é o processo de processamento e preparação de baterias, e as áreas de aplicação a jusante da cadeia industrial incluem veículos de energia nova, sistemas de armazenamento de energia, eletrônicos de consumo, etc.

As vantagens das baterias de estado sólido são:

(1) Eletrólitos de estado sólido são usados ​​para substituir eletrólitos líquidos e separadores. Os eletrólitos de estado sólido possuem um ponto de ignição muito alto, o que melhora a estabilidade térmica da bateria;

(2) A plataforma de tensão das baterias de estado sólido é de 5 V, superior aos 4,3 V das baterias líquidas, que podem corresponder aos materiais dos eletrodos de alta tensão, e a densidade de energia da bateria e a capacidade específica são melhores do que as baterias líquidas;

(3) Os eletrólitos de estado sólido não são fluidos, portanto não há vazamentos, simplificando o design da bateria, reduzindo o peso e o volume da bateria, e espera-se que a densidade de energia exceda 300Wh/kg.

Eletrólito de estado sólido

O eletrólito de estado sólido é o componente principal das baterias de íon-lítio de estado sólido, que pode servir como separador e eletrólito da bateria ao mesmo tempo. A função central do eletrólito é transmitir Li+ entre os eletrodos positivo e negativo. Os eletrólitos de estado sólido ideais devem ter alta condutividade iônica, baixa impedância de interface, estrutura estável, alta segurança, alta resistência mecânica e baixo preço. Atualmente, com base em diferentes eletrólitos, pode ser dividido principalmente em eletrólitos poliméricos de estado sólido e eletrólitos inorgânicos de estado sólido. O sistema representativo do primeiro é o óxido de polietileno PEO; o último são os sistemas de óxido, sulfeto e haleto.

Materiais catódicos

Os principais materiais catódicos para baterias de estado sólido são: óxido de lítio-cobalto, fosfato de ferro-lítio, óxido de cobalto-níquel-lítio e óxido de alumínio-cobalto-lítio.

（1）Óxido de cobalto e lítio: Um material catódico comumente usado em baterias de íons de lítio, que pode fornecer alta densidade de energia e longo ciclo de vida, mas há problemas de segurança.

（2） Fosfato de ferro e lítio: Comparado com o óxido de cobalto e lítio, o fosfato de ferro e lítio tem melhor segurança e vida útil mais longa, mas sua densidade de energia é menor.

（3） Óxido de Lítio-Níquel-Cobalto: Alta densidade de energia e longo ciclo de vida, mas o custo do material é alto e há problemas de segurança.

（4） Óxido de alumínio e cobalto de lítio: alta densidade de energia, mas o ciclo de vida é ligeiramente inferior ao do óxido de cobalto de níquel e lítio.

（5） Combinações de vários materiais em eletrólitos de estado sólido: por exemplo, óxido de manganês de lítio (LiMn2O4) e titanato de lítio (Li4Ti5O12) podem fornecer maior segurança e vida útil mais longa, mas a densidade de energia é relativamente baixa.

Materiais anódicos

Os materiais de eletrodo negativo para baterias de estado sólido incluem principalmente três tipos: metal de lítio, materiais de carbono e materiais de silício.

（1） O metal de lítio é usado principalmente em baterias de íon-lítio de estado sólido e baterias de lítio-enxofre de estado sólido. Entre elas, as baterias de íon-lítio de estado sólido são um tipo de bateria de alta densidade energética que pode ser aplicada em áreas como veículos elétricos e drones. Por outro lado, as baterias de lítio-enxofre de estado sólido são baterias com alta densidade de energia e alta segurança, adequadas para aplicações aeroespaciais, militares e outras áreas.

（2） Os materiais de carbono são usados ​​​​principalmente em baterias de íon-lítio de estado sólido. Os nanotubos de carbono, um material de carbono comum, possuem uma alta área superficial específica e excelente desempenho eletroquímico, tornando-os adequados para uso em baterias de íon-lítio de estado sólido de alto desempenho.

（3） O silício é um novo material de eletrodo negativo que oferece alta capacidade específica e baixo custo. Nas baterias de estado sólido, o silício pode reagir com eletrólitos de estado sólido para formar íons de lítio, permitindo a carga e descarga da bateria. Comparado ao metal de lítio e aos materiais de carbono, o silício tem uma capacidade específica mais alta, mas sua estabilidade de ciclo é relativamente fraca, propensa a expansão de volume e danos estruturais. Os materiais de silício são usados ​​principalmente em baterias de íons de lítio de estado sólido. Entre eles, os nanofios de silício, um material comum de silício, possuem alta área superficial específica e excelente desempenho eletroquímico, adequados para uso em baterias de íon-lítio de estado sólido de alto desempenho.

Separador

O material separador é um componente essencial das baterias de estado sólido, usado principalmente para isolar os eletrodos positivos e negativos para evitar a condução eletrônica. A composição dos materiais separadores inclui principalmente polímeros, pós em nanoescala e assim por diante. A pesquisa sugere que um revestimento de camada dupla pode ser usado como alternativa a um separador, com uma camada de eletrólito inorgânico de estado sólido revestida em ambos os lados da folha do eletrodo negativo e uma camada de polímero orgânico revestida na superfície do sólido inorgânico. camada eletrolítica estadual. Atualmente, há opiniões de que baterias totalmente de estado sólido de sulfeto e óxido não requerem um separador. Além disso, várias patentes publicadas para baterias de estado sólido propuseram o conceito de separadores compostos, tais como separadores compostos inorgânicos-orgânicos.

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