Contente

• Economia de espaço
• Vida útil mais longa
• Tipos de eletrólitos no estado sólido
• Baterias de filme fino
• Baterias maiores e mais volumosas
• Altamente condutivo
• Embrulhar

Há algumas semanas, Kris nos apresentou o tópico sobre baterias de estado sólido e como elas podem ser o próximo grande avanço na tecnologia de baterias de smartphones. Em resumo, as baterias de estado sólido são mais seguras, podem embalar mais suco e podem ser usadas para dispositivos ainda mais finos. Infelizmente, eles são proibitivamente caros para serem colocados em células de smartphones de tamanho médio no momento, mas isso pode mudar nos próximos anos.

Portanto, se você está se perguntando o que exatamente é uma bateria de estado sólido e como ela é diferente das células de íons de lítio de hoje, continue lendo.

A principal diferença entre a bateria de íon de lítio comumente usada e uma bateria de estado sólido é que a primeira usa uma solução eletrolítica líquida para regular o fluxo de corrente, enquanto as baterias de estado sólido optam por um eletrólito sólido. O eletrólito de uma bateria é uma mistura química condutora que permite o fluxo de corrente entre o ânodo e o cátodo.

As baterias de estado sólido ainda funcionam da mesma maneira que as baterias atuais, mas a mudança de material altera alguns dos atributos da bateria, incluindo capacidade máxima de armazenamento, tempos de carregamento, tamanho e segurança.

A corrente dentro de uma bateria passa entre o ânodo e o cátodo através de um eletrólito condutor, enquanto os separadores são usados ​​para evitar um curto-circuito.

Economia de espaço

O benefício imediato de mudar de um eletrólito líquido para sólido é que a densidade de energia da bateria pode aumentar. Isso ocorre porque, em vez de exigir grandes separadores entre as células líquidas, as baterias de estado sólido exigem apenas barreiras muito finas para evitar um curto-circuito.

As baterias de estado sólido podem acumular duas vezes mais energia que o Li-ion

Os separadores de bateria encharcados convencionais vêm com uma espessura de 20 a 30 mícrons. A tecnologia de estado sólido pode diminuir os separadores para 3-4 mícrons cada, economizando cerca de 7 vezes o espaço apenas com a troca de materiais.

No entanto, esses separadores não são o único componente dentro da bateria e outros bits não podem diminuir tanto, colocando um limite no potencial de economia de espaço das baterias de estado sólido.

Mesmo assim, as baterias de estado sólido podem acumular até o dobro de energia que o Li-ion, ao substituir o ânodo por uma alternativa menor também.

Vida útil mais longa

Os eletrólitos de estado sólido são normalmente menos reativos que o líquido ou o gel de hoje, portanto, espera-se que durem muito mais e não precisem ser substituídos após apenas 2 ou 3 anos. Isso também significa que essas baterias não explodirão ou pegarão fogo se forem danificadas ou sofrerem defeitos de fabricação, o que significa produtos mais seguros para os consumidores.

As baterias de estado sólido não explodem ou pegam fogo se forem danificadas ou sofrem de defeitos de fabricação.

Nos smartphones atuais, as baterias substituíveis são frequentemente procuradas por quem procura usar o mesmo telefone por muitos anos, pois podem ser trocadas assim que começarem a quebrar.

As baterias de smartphones geralmente não retêm sua carga depois de um ano ou mais e podem até causar instabilidade no hardware, redefinição ou até parar de funcionar após vários anos de uso. Com baterias de estado sólido, smartphones e outros gadgets podem durar muito mais tempo sem a necessidade de uma célula de substituição.

Existem muitos compostos químicos sólidos que podem ser usados ​​nas baterias, não apenas em uma.

Falar de baterias líquidas versus baterias sólidas é uma simplificação excessiva do assunto, pois há muitos compostos químicos sólidos que poderiam ser usados ​​nas baterias, e não apenas um.

Tipos de eletrólitos no estado sólido

Existem oito categorias principais diferentes de baterias de estado sólido, cada uma usando materiais diferentes para o eletrólito. Estes são Li-Haleto, Perovskita, Li-Hidreto, tipo NASICON, Garnet, Argyrodite, LiPON e LISICON.

Como ainda estamos lidando com uma tecnologia emergente, os pesquisadores ainda estão se familiarizando com os melhores tipos de eletrólito de estado sólido a serem usados ​​em diferentes categorias de produtos. Ainda não há líderes claros, mas as células LiPON e Garnet à base de sulfeto são atualmente as mais promissoras.

Você provavelmente deve ter notado que muitos desses tipos ainda são baseados em lítio (Li), de alguma forma, porque ainda estão usando eletrodos de lítio. Mas muitos estão optando por novos materiais de ânodo e eletrodo de cátodo para melhorar o desempenho.

Baterias de filme fino

Mesmo nos tipos de bateria de estado sólido, existem dois subtipos de corte nítido - filme fino e a granel. Um dos tipos de filmes finos mais bem-sucedidos que já estão no mercado é o LiPON, que a maioria dos fabricantes produz com ânodo de lítio.

O eletrólito LiPON oferece excelentes atributos de peso, espessura e até flexibilidade, tornando-o um tipo de célula promissor para eletrônicos e dispositivos portáteis que requerem células pequenas. Voltando ao assunto das células mais duradouras, o LiPON também demonstrou excelente estabilidade com apenas uma redução de capacidade de 5% após 40.000 ciclos de carga.

As baterias LiPON podem durar de 40 a 130 vezes mais que as baterias Li-ion antes que elas precisem ser substituídas.

Para comparação, as baterias de íon-lítio oferecem apenas entre 300 e 1000 ciclos antes de mostrar uma queda de capacidade semelhante ou maior. Isso significa que as baterias LiPON podem durar de 40 a 130 vezes mais que as baterias de íon de lítio antes de serem substituídas.

A desvantagem da LiPON é que sua capacidade total de armazenamento de energia e condutividade são bastante ruins em comparação. No entanto, tecnologias alternativas de bateria de estado sólido podem ser a chave para aumentar a vida útil da bateria dos relógios inteligentes, o que atualmente está impedindo que vários clientes escolham um wearable.

Baterias maiores e mais volumosas

Até agora, as baterias de estado sólido ainda não são adequadas para células maiores encontradas em smartphones e tablets, muito menos em laptops ou carros elétricos. Para baterias de estado sólido a granel maiores e com maior capacidade, é necessária uma condutividade superior que se aproxime ou combine com eletrólitos líquidos, o que exclui tecnologias promissoras como LiPON. A condução iônica mede a capacidade dos íons de se moverem através de um material, e uma boa condução é um requisito de células maiores para garantir a corrente necessária.

O LISICON e o LiPS superaram a pesquisa em baterias LiPO, LiS e SiS, os líderes anteriores no campo de estado sólido. No entanto, esses tipos ainda sofrem com menor condutividade do que os eletrólitos orgânicos e líquidos à temperatura ambiente, tornando-os impraticáveis ​​para produtos comerciais.

Altamente condutivo

É aqui que entra a pesquisa sobre eletrólitos de óxido de granada (LLZO), pois possui uma alta condutividade iônica à temperatura ambiente.

O material alcança uma condução que fica apenas ligeiramente atrás dos resultados oferecidos pelas células líquidas de íon-lítio, e novos estudos no LGPS sugerem que esse material pode até corresponder a ele.

Isso significaria baterias de estado sólido com potência e capacidade aproximadamente iguais às das células de íons de lítio de hoje, ao mesmo tempo em que benefícios como tamanho reduzido e vida útil mais longa se tornam realidade.

O Garnet também é estável no ar e na água, tornando-o adequado para baterias Li-Air também. Infelizmente, ele deve ser fabricado usando um processo de sinterização caro.

Atualmente, isso faz com que seja uma proposta pouco atraente para uso em baterias de consumidor quando comparado ao baixo custo das células de íons de lítio. No futuro, os custos provavelmente cairão à medida que as técnicas de fabricação forem refinadas, mas ainda estamos longe de uma bateria de estado sólido comercialmente viável.

Embrulhar

Claramente, ainda há muita pesquisa em andamento sobre a tecnologia de baterias de estado sólido. Não veremos células maduras chegarem a produtos de consumo como smartphones por mais 4 ou 5 anos, de acordo com as previsões mais antigas. As baterias de estado sólido em outros dispositivos (como drones) podem aparecer no próximo ano.

Ainda assim, as pesquisas mais recentes estão finalmente produzindo resultados que podem competir com as baterias de íons de lítio existentes em termos de atributos, além de fornecer os benefícios dos eletrólitos de estado sólido. Tudo o que precisamos é que os processos de fabricação amadurecem e existem vários fabricantes de baterias grandes e futuros com os recursos para tornar isso realidade.

Em resumo, os principais benefícios de todas essas diferenças químicas da perspectiva do consumidor são: carregamento até 6 vezes mais rápido, até o dobro da densidade de energia, uma vida útil mais longa de até 10 anos em comparação a 2 e nenhum componente inflamável. Isso certamente será um benefício para smartphones e outros aparelhos portáteis.