Baterias de estado sólido: quando os “substitutos” se tornarão “principais”?

Baterias de estado sólidoestão emergindo como a fonte de energia da próxima geração, mas as baterias híbridas sólido-líquido provavelmente serão comercializadas primeiro e atuarão como uma ponte crucial entre as atuais células líquidas de íons de lítio e os futuros sistemas totalmente de estado sólido.

O que são baterias de estado sólido

As baterias de estado sólido substituem eletrólitos líquidos inflamáveis ​​por materiais sólidos, ao mesmo tempo que permitem maior densidade de energia e melhor desempenho de segurança. Seus cátodos podem usar materiais de alta energia, como compostos ricos em lítio à base de manganês, enquanto o ânodo pode combinar nanosilício e grafite para aumentar a densidade de energia para 300–450 Wh/kg.

Um eletrólito sólido transporta íons de lítio sem risco de vazamento e reduz significativamente a probabilidade de fuga térmica.

Ânodos de maior capacidade e cátodos de alta tensão proporcionam às baterias de estado sólido o potencial para maior autonomia em veículos elétricos e maior resistência em drones ou sistemas de armazenamento de energia.

Híbrido sólido-líquido como transição

O artigo distingue baterias de lítio líquidas, híbridas sólido-líquido e totalmente em estado sólido, enfatizando que os projetos híbridos são um estágio de transição essencial. As baterias semissólidas, quase-sólidas e “sólidas” existentes no mercado enquadram-se em grande parte nesta categoria híbrida, diferindo apenas na proporção de eletrólito líquido para sólido.

As baterias híbridas sólido-líquido ainda contêm algum eletrólito líquido, o que melhora o contato com materiais ativos e facilita a fabricação.

As baterias totalmente de estado sólido contêm apenas eletrólito sólido, oferecendo melhor segurança intrínseca e maior densidade de energia teórica, mas enfrentando atualmente desafios de engenharia mais severos.

Barreiras técnicas ao estado sólido completo

Embora muitas empresas e institutos de pesquisa em todo o mundo estejam investindo em tecnologia de estado sólido, nenhuma célula de energia de estado sólido de grande capacidade se igualou às baterias de íons de lítio líquido tanto em desempenho quanto em custo. A principal dificuldade reside na interface sólido-sólido, onde os materiais eletrolíticos rígidos dificultam a manutenção do contato íntimo com os eletrodos durante o ciclo e as alterações de volume.

As rotas atuais incluem baterias de estado sólido de polímero, película fina, sulfeto e óxido, cada uma com vantagens e limitações distintas.

Por exemplo, as células de estado sólido de polímero têm dificuldades em temperatura ambiente e com cátodos de alta tensão, enquanto os sistemas de sulfeto são sensíveis ao ar e exigem condições de fabricação exigentes.

Estratégia de solidificação in situ

Para superar problemas de interface e ao mesmo tempo aproveitar a infraestrutura existente de íons de lítio, os pesquisadores propõem uma abordagem de solidificação in-situ para eletrólitos híbridos sólido-líquido. Durante a montagem da célula, um precursor líquido garante um bom contato e umedecimento; posteriormente, reações químicas ou eletroquímicas convertem todo ou parte desse líquido em um eletrólito sólido dentro da célula.

Este método melhora o contato eletrodo-eletrólito, suprime o crescimento de dendritos de lítio e equilibra segurança, alta tensão e desempenho de carga rápida.

Ele também pode reutilizar grande parte do atual processo de produção de íons de lítio líquidos, ajudando os fabricantes a crescerem mais rapidamente e a reduzirem custos.

Direções de desenvolvimento futuro

Os especialistas esperam que as baterias de lítio totalmente em estado sólido precisem de cerca de mais cinco anos antes da verdadeira comercialização em grande escala, de modo que as baterias híbridas de energia sólido-líquido continuam a ser um caminho realista a curto prazo. Para acelerar a industrialização, o artigo destaca a necessidade de progresso coordenado em materiais, concepção de células, fabrico e normas.

As prioridades incluem: desenvolvimento de eletrólitos sólidos com condutividade iônica, estabilidade e processabilidade equilibradas; eletrodos de alta energia correspondentes, como cátodos com alto teor de níquel e ânodos de silício-carbono ou metal de lítio; e integração de simulação digital com fabricação inteligente.

A indústria é incentivada a construir cadeias de fornecimento robustas para materiais essenciais, investir em equipamentos automatizados, refinar sistemas de testes e avaliação e evoluir gradualmente de sistemas híbridos sólido-líquido baterias de íon de lítioem direção a baterias de metal de lítio totalmente em estado sólido.