¿Cuál es la diferencia entre una pila de estado semisólido y una pila de estado sólido?
¿Qué es una pila de estado semisólido?
Las pilas de estado semisólido utilizan un diseño híbrido de electrolito sólido y electrolito líquido. El electrodo de cada lado de la pila no contiene electrolito líquido, y el electrodo del otro lado contiene electrolito líquido.
La proporción entre electrolito sólido y electrolito líquido no es uno a uno, sino que se divide según la proporción de electrolito líquido en la célula de la batería: líquido (25wt%), semisólido (5-10wt%), cuasi-sólido (0-5wt%) y todo-sólido (0wt%).
En comparación con las baterías de iones de litio existentes, las baterías semisólidas son de pequeño tamaño, más estables y seguras, pueden alcanzar una mayor densidad energética y son mucho más baratas que las baterías de iones de litio.
¿Cuál es la diferencia entre pila de estado semisólido y pila de estado totalmente sólido?
La batería de estado semisólido no es toda batería de estado sólido. Toda batería de estado sólido está 100% libre de electrolito líquido. Aunque la batería de estado semisólido y la batería de estado sólido son similares en principio, existen diferencias significativas entre ellas:
Materiales electrolíticos
Pilas semisólidas: utilizan una combinación de electrolitos parcialmente sólidos y parcialmente líquidos. El electrolito sólido suele ser un material cerámico o polimérico, mientras que el electrolito líquido es un electrolito líquido tradicional. Esta combinación puede mejorar la conductividad iónica y la estabilidad interfacial de la pila.
Pilas totalmente sólidas: utilizan electrolitos sólidos completamente sin componentes líquidos. Los electrolitos sólidos pueden ser cerámicos, polímeros u otros materiales sólidos, de gran estabilidad y seguridad.
Seguridad
Pilas semisólidas: En comparación con las pilas tradicionales de electrolito líquido, la seguridad mejora porque los electrolitos parcialmente sólidos pueden reducir el riesgo de fuga de los electrolitos líquidos. Sin embargo, como aún contiene componentes líquidos, su seguridad no es tan buena como la de las pilas totalmente sólidas.
Pilas totalmente sólidas: Dado que se utilizan electrolitos sólidos en su totalidad, se elimina el riesgo de fuga y combustión de los electrolitos líquidos, y la seguridad es máxima.
Densidad energética
Pilas semisólidas: tienen una mayor densidad energética porque los electrolitos parcialmente sólidos pueden mejorar la estabilidad general y la eficacia de carga y descarga de la batería, pero como sigue conteniendo componentes líquidos, la densidad energética no es tan alta como la de las baterías totalmente sólidas.
Pilas totalmente sólidas: Dado que se utilizan electrolitos sólidos en su totalidad, se puede conseguir una mayor densidad energética, y la densidad energética potencial supera con creces la de las pilas tradicionales de electrolito líquido y las semisólidas.
Fabricación y costes
Batería de estado semisólido: El proceso de producción es relativamente sencillo, ya que parte del proceso de fabricación puede utilizarse en la línea de producción de baterías de electrolito líquido existente, por lo que el coste es inferior al de las baterías de estado sólido.
Batería de estado sólido: El proceso de fabricación es complejo y la tecnología es difícil. El coste de producción actual es elevado, pero con el avance de la tecnología y la producción a gran escala, se espera que el coste disminuya.
¿Cuáles son las ventajas de las pilas semisólidas?
1. Alta densidad energética
En general, se reconoce que el límite superior de la densidad energética de las baterías líquidas de iones de litio se sitúa en torno a los 300Wh/kg-400Wh/kg. La densidad energética teórica de las baterías de estado sólido alcanza los 700Wh/kg, casi el doble de los datos actuales de las baterías de litio más avanzadas.
2. Superar el problema de la atenuación por temperatura
Los electrolitos sólidos se utilizan en baterías semisólidas, y los electrolitos sólidos no afectarán al rendimiento de la batería debido a las bajas temperaturas. Esto resuelve eficazmente el problema del descuento de la vida útil de las baterías en invierno para los vehículos eléctricos puros.
3. Mayor seguridad
Las pilas semisólidas o de estado sólido no tienen sustancias líquidas, o las sustancias líquidas están muy reducidas. Por lo tanto, cuando se dañan o perforan, evitarán eficazmente la combustión espontánea o la explosión.
4. Mayor vida útil
Según los datos disponibles, la batería semisólida actual tiene un índice de retención de la capacidad de más de 85% tras 2.000 ciclos a temperatura ambiente. En las mismas condiciones, las baterías líquidas ordinarias tienen una tasa de retención de la capacidad de sólo unos 80% tras 1.200 ciclos.
¿De dónde procede la tecnología de las pilas de estado semisólido?
La tecnología de estado semisólido es más bien un producto intermedio en la investigación de las baterías de estado totalmente sólido. Baterías de estado sólido todavía tienen muchos problemas en términos de escala, comercialización y coste.
Muchas empresas de baterías optan por acelerar primero la investigación y el desarrollo de las baterías de estado semisólido. A pesar de ello, todavía hay quien cree que las baterías de estado sólido acabarán siendo difíciles de comercializar, y las baterías de estado semisólido son ya la solución definitiva para los vehículos eléctricos.
El 17 de diciembre de 2023, NIO retransmitió en directo el uso de una batería de estado semisólido de 150 kWh para completar un reto de 1.000 km de autonomía.
Según la información técnica publicada actualmente, el electrolito sólido utilizado en las pilas de estado sólido depende de metales raros y procesos complejos, lo que constituye la razón clave que afecta al coste.
Las baterías de estado semisólido difieren de las baterías de litio maduras sólo en unos 20% del proceso. Se basan en la transformación de las líneas de producción de pilas existentes y pueden fabricarse en serie con mayor rapidez. Por lo tanto, en términos de eficiencia económica y velocidad de industrialización, la tecnología de estado semisólido es actualmente la mejor para las empresas.
Cómo funcionan las pilas de estado semisólido
Como todas las pilas, las semisólidas liberan corriente a través de reacciones químicas entre los materiales de los electrodos positivo y negativo. Las pilas semisólidas suelen tener electrolitos más parecidos al gel. En las pilas de litio tradicionales, los electrodos positivo y negativo son "almacenes de energía", y el electrolito es como un "canal" que permite que los iones de litio se muevan libremente entre los electrodos positivo y negativo. Por ello, también se denomina batería líquida.
Las baterías semisólidas han introducido innovaciones en los materiales de los electrodos. Utilizan "barro" formado por la mezcla de finas partículas de compuesto de litio con electrolito líquido como materiales de electrodo. Este diseño híbrido permite que la batería mantenga la alta seguridad de las baterías de estado sólido y, al mismo tiempo, tenga la alta tasa de transmisión de iones de las baterías líquidas.
¿Ya se comercializan semisólidos?
Algunas empresas han iniciado la producción a pequeña escala y la han aplicado a la electrónica de consumo y a los vehículos eléctricos.
Por ejemplo, la marca china de automóviles Zhiji ha lanzado esta vez una batería de estado semisólido. Según la descripción oficial, la batería contiene tanto electrolitos sólidos como electrolitos líquidos.
De hecho, Zhiji no es la primera empresa de vehículos de nueva energía que instala baterías de estado semisólido. A finales del año pasado, NIO realizó una prueba de larga duración en vivo del NIO ET7 equipado con una batería de estado semisólido de 150 kWh, y la autonomía real superó los 1044 km.
Sin embargo, aún no existen aplicaciones que utilicen baterías de estado semisólido que se puedan comprar. Sólo en abril de 2024 NIO lanzó un evento de alquiler de baterías de estado semisólido de 150kwh.
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