Introdução
Uma bateria de estado sólido é uma bateria que usa eletrodos sólidos e um eletrólito sólido. As baterias de estado sólido geralmente têm baixa densidade de potência e alta densidade de energia, o que é uma bateria ideal para veículos elétricos.
Em 2030, as baterias de íons de lítio podem não ser mais o mainstream das baterias de veículos elétricos, mas ainda têm lugar em alguns componentes eletrônicos. De acordo com estimativas, o mercado de baterias de estado sólido da China deve atingir 3 bilhões de CNY em 2025 e 20 bilhões de CNY em 2030.
Curso de Desenvolvimento
Desde que a Sony introduziu baterias de íons de lítio contendo eletrólitos líquidos em dispositivos eletrônicos em 1991, as baterias de lítio líquido se tornaram uma das rotas técnicas mais maduras e amplamente utilizadas.
Em 2010, a Toyota lançou uma bateria de estado sólido com um alcance de cruzeiro de mais de 1000 km. Esforços como QuantumScape e Sakti3 também estão tentando substituir as baterias tradicionais de lítio líquido por baterias de estado sólido.
A empresa canadense Avestor também tentou desenvolver baterias de lítio de estado sólido e, finalmente, entrou com pedido de falência em 2006. A Avestor usa um separador de polímero para substituir o eletrólito líquido na bateria, mas não resolveu o problema de segurança, e houve vários incêndios ou explosões de baterias na América do Norte.
Em meados de março de 2015, James Dyson, o inventor do aspirador de pó e fundador da empresa britânica Dyson, investiu seus primeiros US$ 15 milhões na empresa de baterias de estado sólido Sakti3, que é uma startup de baterias fundada em 2007.
Em janeiro de 2018, uma nova tecnologia de bateria inovadora parece estar finalmente perto da realidade. Se esperado, a nova tecnologia poderia manter os viciados em telefones celulares por dias e aumentar o alcance dos veículos elétricos para mais de cerca de 800 quilômetros. A nova tecnologia, conhecida como tecnologia de bateria de estado sólido, substitui os eletrólitos líquidos nas baterias atuais por materiais cerâmicos.
Em janeiro de 2018, formou uma aliança com a BMW, que se comprometeu a fornecer algum tipo de componente de bateria para todos os produtos que fabrica pelos próximos 10 anos.
Em 9 de janeiro de 2021, a Weilai Automobile lançou uma nova bateria de estado sólido de 150kWh. O veículo elétrico Weilai equipado com essa tecnologia deve ser entregue no quarto trimestre de 2022, e a autonomia de cruzeiro deve ultrapassar 1.000 quilômetros.
Em 22 de janeiro de 2022, o veículo operacional de demonstração Dongfeng E70 equipado com baterias de estado sólido Ganfeng foi lançado em Xinyu, e o primeiro lote de 50 veículos operacionais de demonstração de bateria de estado sólido foi lançado oficialmente no mercado. A primeira linha de produção do novo projeto de bateria de lítio com uma produção anual de 10 GWh na segunda fase da bateria de lítio Ganfeng também foi oficialmente colocada em operação no mesmo dia.
Princípio
A bateria de lítio líquida tradicional também é vividamente chamada de "bateria de cadeira de balanço" pelos cientistas. As duas extremidades da cadeira de balanço são os pólos positivo e negativo da bateria, e o eletrólito (líquido) está no meio. O íon de lítio é como um excelente atleta, correndo para frente e para trás em ambas as extremidades da cadeira de balanço. Durante o movimento do íon de lítio do eletrodo positivo para o eletrodo negativo e depois para o eletrodo positivo, o processo de carga e descarga da bateria é concluído.
O princípio de uma bateria de estado sólido é o mesmo, exceto que seu eletrólito é sólido e sua densidade e estrutura permitem que mais íons carregados se reúnam em uma extremidade, conduzam maior corrente e aumentem a capacidade da bateria. Portanto, para a mesma quantidade de energia, o volume das baterias de estado sólido diminuirá. Além disso, como não há eletrólito líquido nas baterias de estado sólido, o armazenamento se tornará mais fácil, quando usado em equipamentos grandes, como automóveis, não há necessidade de adicionar tubos de resfriamento adicionais, controles eletrônicos, etc., o que não apenas economiza custos, mas também reduz efetivamente o peso.
Vantagens
- Luz – alta densidade de energia. Depois de usar eletrólitos de estado sólido, o sistema de material aplicável das baterias de íons de lítio também mudará. O ponto central é que não é necessário usar eletrodos negativos de grafite intercalados com lítio, mas usar diretamente o lítio metálico como eletrodos negativos, o que pode reduzir significativamente a quantidade de materiais de eletrodos negativos, de modo que a densidade de energia de toda a bateria pode ser significativamente melhorada.
- Fino – pequeno em tamanho. Nas baterias tradicionais de íons de lítio, são necessários separadores e eletrólitos, que juntos representam quase 40% do volume e 25% da massa da bateria. E se eles forem substituídos por eletrólitos sólidos (principalmente materiais cerâmicos orgânicos e inorgânicos), a distância entre os eletrodos positivo e negativo (tradicionalmente preenchidos por eletrólito de diafragma, agora preenchidos por eletrólito sólido) pode ser reduzida para apenas alguns mícrons a uma dúzia de mícrons, de modo que a espessura da bateria pode ser bastante reduzida, de modo que a tecnologia de bateria de estado sólido é a única maneira de miniaturização e afinamento das baterias.
- A perspectiva de flexibilidade. Mesmo os materiais cerâmicos quebradiços costumam ser dobrados em espessuras submilimétricas e o material se torna flexível. Da mesma forma, a flexibilidade das baterias de estado sólido também será significativamente melhorada depois de serem cada vez mais finas. Ao usar materiais de encapsulamento apropriados (não um invólucro rígido), a bateria fabricada pode suportar centenas a milhares de curvas sem degradar substancialmente seu desempenho.
- Seguro. Os seguintes perigos podem ocorrer em baterias de lítio tradicionais:
(1) Dendritos de lítio podem aparecer ao trabalhar sob alta corrente, o que perfurará o diafragma e causará danos por curto-circuito
(2) O eletrólito é um líquido orgânico, que tende a intensificar as reações colaterais, a decomposição oxidativa, a geração de gases e a combustão em altas temperaturas.
Usando a tecnologia de bateria de estado sólido, os dois problemas acima podem ser resolvidos diretamente
Disputa
"As baterias de estado sólido podem ser uma das direções futuras da tecnologia de baterias, mas talvez não a melhor." Um técnico de uma nova empresa de produção de energia disse: "Incluindo células de combustível, supercapacitores, baterias de alumínio-ar e baterias de magnésio, há muito espaço para desenvolvimento em conceito e, no final, depende de qual rota se desenvolve mais rápido e é mais realista". O chamado pé no chão significa que um equilíbrio perfeito pode ser alcançado em termos de escala e custo de comercialização. Primeiro, os materiais utilizados não devem ser caros e raros. Em segundo lugar, é possível realizar aplicações em larga escala em várias indústrias e campos.
Talvez o local mais testado agora seja o preço, o custo de uma bateria de lítio líquida é de cerca de US $ 200-300 / kWh. Se você usar a tecnologia existente para fazer uma bateria de estado sólido suficiente para alimentar um smartphone, o custo chegará a US$ 15.000 e o custo de uma bateria de estado sólido suficiente para alimentar um carro chega a impressionantes US$ 90 milhões. Sastry disse que uma razão importante para o alto custo de produção de baterias de estado sólido é a baixa eficiência de produção. De acordo com o plano de Sastry, a Sakti3 acabará reduzindo o custo da bateria para US$ 100/kWh, mas ela não deu o tempo final.
A julgar pela época em que a teoria foi proposta, as baterias de estado sólido não são um conceito novo, mas ao longo dos anos, o progresso em pesquisa e desenvolvimento não foi tão rápido quanto se imaginava. Um técnico da Samsung da Coreia do Sul acredita que, mesmo que o Sakti3 possa finalmente reduzir o custo, levará muito tempo para que a bateria vá do laboratório para a produção final em massa. Assim como as baterias de lítio líquido, na década de 1970, conceitos relacionados e certificações experimentais avançavam de mãos dadas, mas o uso real em larga escala já estava no final do século 20.
