Qual é a diferença entre uma bateria de estado semi-sólido e uma bateria de estado sólido?
O que é uma bateria de estado semi-sólido?
As baterias de estado semi-sólido utilizam um design híbrido de eletrólito sólido e eletrólito líquido. O elétrodo de cada lado da bateria não contém eletrólito líquido e o elétrodo do outro lado contém eletrólito líquido.
A relação entre o eletrólito sólido e o eletrólito líquido não é de um para um, mas é dividida de acordo com a proporção de eletrólito líquido na célula da bateria: líquido (25wt%), semi-sólido (5-10wt%), quase-sólido (0-5wt%) e totalmente sólido (0wt%)
Em comparação com as actuais baterias de iões de lítio, as baterias semi-sólidas são pequenas em tamanho, mais estáveis e seguras, podem atingir uma maior densidade energética e são muito mais baratas do que as baterias de iões de lítio.
Qual é a diferença entre uma bateria de estado semi-sólido e uma bateria de estado totalmente sólido?
A bateria de estado semi-sólido não é uma bateria de estado sólido. Toda a bateria de estado sólido é 100% isenta de eletrólito líquido. Embora a bateria de estado semi-sólido e a bateria de estado sólido sejam semelhantes em princípio, existem diferenças significativas entre elas:
Materiais electrolíticos
Pilhas semi-sólidas: utilizam uma combinação de electrólitos parcialmente sólidos e parcialmente líquidos. O eletrólito sólido é normalmente um material cerâmico ou polimérico, enquanto o eletrólito líquido é um eletrólito líquido tradicional. Esta combinação pode melhorar a condutividade iónica e a estabilidade interfacial da bateria.
Baterias totalmente sólidas: utilizam electrólitos sólidos completamente sem componentes líquidos. Os electrólitos sólidos podem ser cerâmicos, polímeros ou outros materiais sólidos, com elevada estabilidade e segurança.
Segurança
Pilhas semi-sólidas: Em comparação com as baterias tradicionais de eletrólito líquido, a segurança é melhorada porque os electrólitos parcialmente sólidos podem reduzir o risco de fuga de electrólitos líquidos. No entanto, uma vez que ainda contém componentes líquidos, a sua segurança não é tão boa como a das baterias totalmente sólidas.
Baterias totalmente sólidas: Uma vez que os electrólitos sólidos são completamente utilizados, o risco de fuga e combustão dos electrólitos líquidos é eliminado e a segurança é máxima.
Densidade energética
Pilhas semi-sólidas: têm uma densidade energética mais elevada porque os electrólitos parcialmente sólidos podem melhorar a estabilidade global e a eficiência de carga e descarga da bateria, mas como ainda contêm componentes líquidos, a densidade energética não é tão elevada como a das baterias totalmente sólidas.
Baterias totalmente sólidas: Uma vez que os electrólitos sólidos são totalmente utilizados, é possível obter uma densidade de energia mais elevada e a densidade de energia potencial excede em muito a das baterias tradicionais de electrólitos líquidos e das baterias semi-sólidas.
Fabrico e custos
Bateria de estado semi-sólido: O processo de produção é relativamente simples, porque parte do processo de fabrico pode ser utilizado na linha de produção de baterias de eletrólito líquido existente, pelo que o custo é inferior ao das baterias de estado sólido.
Bateria de estado sólido: O processo de fabrico é complexo e a tecnologia é difícil. O custo de produção atual é elevado, mas com o avanço da tecnologia e a produção em grande escala, espera-se que o custo diminua.
Quais são as vantagens das baterias semi-sólidas?
1. Elevada densidade energética
O limite superior da densidade energética das baterias líquidas de iões de lítio é geralmente reconhecido como sendo de cerca de 300Wh/kg-400Wh/kg. A densidade energética teórica das baterias de estado sólido atinge os 700Wh/kg, quase o dobro dos dados actuais das baterias de lítio mais avançadas.
2. Ultrapassar o problema da atenuação da temperatura
Os electrólitos sólidos são utilizados em baterias semi-sólidas, e os electrólitos sólidos não afectam o desempenho da bateria devido a baixas temperaturas. Isto resolve eficazmente o problema da redução da vida útil da bateria no inverno para veículos puramente eléctricos.
3. Maior segurança
As pilhas semi-sólidas ou pilhas de estado sólido não têm substâncias líquidas, ou as substâncias líquidas são muito reduzidas. Por conseguinte, quando ocorrem danos ou perfurações, evita-se eficazmente a combustão espontânea ou a explosão.
4. Vida útil mais longa
De acordo com os dados disponíveis, a atual bateria de estado semi-sólido tem uma taxa de retenção de capacidade superior a 85% após 2.000 ciclos à temperatura ambiente. Sob as mesmas condições, as baterias líquidas comuns têm uma taxa de retenção de capacidade de apenas cerca de 80% após 1.200 ciclos.
De onde vem a tecnologia das baterias de estado semi-sólido?
A tecnologia de estado semi-sólido é mais um produto de médio prazo na investigação de baterias de estado totalmente sólido. Baterias de estado sólido ainda têm muitos problemas em termos de escala, comercialização e custo.
Muitas empresas de baterias optam por acelerar a investigação e o desenvolvimento de baterias de estado semi-sólido em primeiro lugar. Apesar disso, ainda há quem acredite que as baterias de estado sólido acabarão por ser difíceis de comercializar, e as baterias de estado semi-sólido são já a solução definitiva para os veículos eléctricos.
Em 17 de dezembro de 2023, a NIO transmitiu em direto a utilização de uma bateria de estado semi-sólido de 150 kWh para completar um desafio de alcance de 1000 km.
De acordo com as informações técnicas atualmente publicadas, o eletrólito sólido utilizado nas baterias de estado sólido depende de metais raros e de processos complexos, o que constitui a principal razão que afecta o custo.
As baterias de estado semi-sólido diferem das baterias de lítio maduras apenas em cerca de 20% do processo. Baseiam-se na transformação das linhas de produção de baterias existentes e podem ser produzidas em massa mais rapidamente. Por conseguinte, em termos de eficiência económica e velocidade de industrialização, a tecnologia de estado semi-sólido é atualmente a melhor para as empresas.
Como funcionam as pilhas de estado semi-sólido
Como todas as pilhas, as pilhas semi-sólidas libertam corrente através de reacções químicas entre os materiais dos eléctrodos positivo e negativo. As baterias semi-sólidas têm normalmente electrólitos que estão mais próximos do gel. Nas baterias de lítio tradicionais, os eléctrodos positivo e negativo são "armazéns de energia" e o eletrólito é como um "canal" que permite que os iões de lítio se movam livremente entre os eléctrodos positivo e negativo. Por isso, é também designada por bateria líquida.
As baterias semi-sólidas fizeram inovações nos materiais dos eléctrodos. Utilizam "lama" formada pela mistura de partículas finas de compostos de lítio com eletrólito líquido como materiais de elétrodo. Este design híbrido permite que a bateria mantenha a elevada segurança das baterias de estado sólido e, ao mesmo tempo, tenha a elevada taxa de transmissão de iões das baterias líquidas.
O semi-sólido já está disponível no mercado?
Algumas empresas iniciaram uma produção em pequena escala e aplicaram-na à eletrónica de consumo e aos veículos eléctricos.
Por exemplo, a marca chinesa de automóveis Zhiji lançou, desta vez, uma bateria de estado semi-sólido. De acordo com a descrição oficial, a bateria contém electrólitos sólidos e electrólitos líquidos.
De facto, a Zhiji não é a primeira empresa de veículos de energia nova a instalar baterias de estado semi-sólido. No final do ano passado, a NIO efectuou um teste de longa duração do NIO ET7 equipado com uma bateria semi-sólida de 150 kWh, tendo a autonomia real ultrapassado os 1044 km.
No entanto, ainda não existem aplicações que utilizem baterias de estado semi-sólido que possam ser compradas. Só em abril de 2024 é que a NIO lançou um evento de aluguer de baterias de estado semi-sólido de 150 kWh.
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