► Explicación de la nueva tecnología de baterías
► El futuro de los motores eléctricos
► Detallamos en estado sólido
El gigante de la electrónica Samsung ha dado un paso importante para hacer de las baterías de estado sólido una tecnología viable para los automóviles eléctricos, lo que significa mayores alcances para los propietarios de vehículos eléctricos (EV).
El Instituto de Tecnología Avanzada de Samsung (SAIT) afirma que el avance químico significa que el tamaño de la batería se reduce a la mitad, por lo que, en teoría, podría duplicar el alcance de los vehículos eléctricos de primera generación actuales de alrededor de 200-300 millas a alrededor de 400-600 con una carga.
El secreto de la súper batería de Samsung está en su electrolito. En las baterías EV convencionales, el electrolito es un líquido, pero los científicos e ingenieros de Samsung han desarrollado una tecnología de electrolito sólido, que es mucho más denso que el líquido.
Explicación técnica: nuestra guía de baterías de coches eléctricos
El maestro en el Laboratorio de Baterías de Próxima Generación de SAIT y líder del proyecto, Dongmin Im, dijo: ‘El producto de este estudio podría ser una tecnología semilla para baterías más seguras y de alto rendimiento del futuro. En el futuro, continuaremos desarrollando y refinando los materiales de las baterías de estado sólido y las tecnologías de fabricación para ayudar a llevar la innovación de las baterías para vehículos eléctricos al siguiente nivel”.
Los prototipos de batería de estado sólido de Samsung, que aumentan la densidad de energía en un factor declarado de tres, presentan un nuevo recubrimiento de plata y carbono conocido como Ag-C, que tiene solo 5,0 micrómetros de espesor. Este nanocompuesto Ag-C no solo permite un empaque más compacto, sino que también resiste el crecimiento de ‘dendritas’, la formación química de cristales en forma de aguja que reduce la capacidad de la batería durante muchos ciclos de carga, así como la estabilidad del empaque.
Samsung dice que se pueden recargar más de 1000 veces (alrededor de medio millón de millas de rango completo) para un futuro de vehículos eléctricos más atractivos y atractivos.
Baterías de estado sólido para coches eléctricos: ¿el próximo gran avance?
Los coches eléctricos mejoran constantemente en términos de kilometraje, rendimiento y tiempo de carga, pero todavía hay mucho margen de mejora. Si bien es probable que aumente la cantidad de automóviles híbridos, los vehículos totalmente eléctricos aún no están listos para superar al motor de combustión interna.
Esto se debe a que la mayoría de los vehículos eléctricos e híbridos se basan en motores eléctricos alimentados por baterías de iones de litio, utilizando la misma tecnología que alimenta los teléfonos inteligentes y las computadoras portátiles. Esencialmente una evolución de las baterías químicas, las baterías de iones de litio funcionan bien en los vehículos eléctricos, pero existen mejores soluciones.
El uso de un electrolito líquido en las baterías de iones de litio tiene una serie de desventajas. La capacidad y la capacidad de entregar carga máxima se deterioran con el tiempo y las baterías de iones de litio también pierden mucho calor, lo que requiere la integración de sistemas de refrigeración pesados en su diseño. Y gracias al líquido inflamable que contienen, las baterías de iones de litio pueden incendiarse o incluso explotar si se dañan en un accidente.
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En los últimos años, los fabricantes de automóviles han comenzado a mencionar las baterías de estado sólido como los próximos vehículos eléctricos innovadores, a menudo citando un rendimiento y una autonomía increíbles al mismo tiempo. Entonces, ¿qué hace que la tecnología de baterías de estado sólido sea tan buena para los vehículos eléctricos? ¿Cómo funciona? ¿O es solo un montón de vaporware?
¿Qué son las baterías de estado sólido?
En pocas palabras, las baterías de estado sólido utilizan un electrolito sólido en lugar del gel líquido o polimérico que se encuentra actualmente en las baterías de iones de litio, y pueden adoptar la forma de cerámica, vidrio, sulfitos o polímeros sólidos.
Además del electrolito sólido, las baterías de estado sólido funcionan como baterías de iones de litio en el sentido de que contienen electrodos (cátodos y ánodos) separados por un electrolito que permite el paso de iones cargados.
¿Cómo funcionan las baterías de estado sólido?
Al igual que una batería normal, si somos honestos. El flujo de iones desencadena una reacción química entre los materiales de la batería llamada ‘Redox’ donde, al descargar energía, se produce oxidación en el ánodo para crear compuestos con electrones libres, que proporcionan energía eléctrica, y reducción en el cátodo que hace que los compuestos ganen electrones. y así almacenar energía. Cuando se carga una batería, el proceso se invierte.
Al igual que las baterías de iones de litio, cuando se proporciona energía en las baterías de estado sólido, también conocidas como descarga, los iones cargados positivamente viajan a través del electrolito desde el electrodo negativo (ánodo) al positivo (cátodo). Esto conduce a una acumulación de carga positiva en el cátodo que atrae electrones del ánodo. Pero dado que los electrones no pueden viajar a través del electrolito, tienen que viajar a través de un circuito y, por lo tanto, proporcionar energía a cualquier cosa que esté conectada, por ejemplo, a un motor eléctrico.
Durante la carga, sucede lo contrario con los iones que fluyen hacia el ánodo, acumulando una carga que ve electrones atraídos a través de un circuito desde el cátodo. Cuando ya no fluyen más iones hacia el electrodo negativo, se considera que la batería está completamente cargada.
Las baterías de estado sólido existen desde hace algún tiempo, pero solo se usan para dispositivos electrónicos pequeños, como etiquetas RFID y marcapasos, y en su estado actual no son recargables. Como tal, se está trabajando para permitirles alimentar dispositivos más grandes y recargarlos.
¿Qué hace que las baterías de estado sólido sean la próxima gran novedad?
Gracias a que el electrolito sólido ocupa menos espacio, las baterías de estado sólido prometen de dos a diez veces la densidad de energía de las baterías de iones de litio del mismo tamaño. Eso significa baterías más potentes sin espacio adicional o baterías más compactas sin comprometer la potencia. Eso significa autos eléctricos más potentes y de mayor autonomía o vehículos eléctricos más compactos y livianos. También se espera que carguen más rápido.
Una mejor eficiencia y densidad de energía significa que las baterías de estado sólido no requieren los componentes de control y enfriamiento que requieren las baterías de iones de litio, y eso significa una huella general más pequeña, además de más libertad de chasis y menos peso. No es de extrañar que los fabricantes de automóviles de alto rendimiento mencionen con mayor frecuencia el estado sólido; Bentley ve la tecnología como su forma principal de hacer que la electrificación funcione para ellos.
La seguridad es otra ventaja que las baterías de estado sólido afirman ofrecer. Las reacciones exotérmicas en las baterías de iones de litio pueden hacer que se calienten, se expandan y potencialmente se rompan, derramando electrolitos líquidos inflamables y peligrosos; en algunos casos esto provocó pequeñas explosiones. Tener un electrolito sólido evita efectivamente este problema.
Finalmente, el uso de electrolitos de estado sólido significa que las baterías pueden soportar más ciclos de descarga y carga que las baterías de iones de litio, ya que no tienen que sufrir la corrosión de los electrodos causada por los productos químicos en el electrolito líquido o la acumulación de capas sólidas. el electrolito que deteriora la vida de la batería. Las baterías de estado sólido se pueden recargar hasta siete veces más, lo que les otorga una vida útil potencial de diez años, a diferencia de los dos años que una batería de iones de litio debería durar efectivamente.
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Desventajas
Quizás se pregunte por qué las baterías de estado sólido no se utilizan en los vehículos eléctricos, ya que parecen ser la panacea para los problemas de las baterías de iones de litio. Pero el desafío con las baterías de estado sólido es que son muy difíciles de fabricar a escala.
Actualmente, no solo son demasiado caros para ponerlos en uso comercial, sino que aún queda mucho trabajo por hacer para que estén listos para el uso masivo en el mercado, particularmente en vehículos eléctricos.
Por el momento, todavía existe la necesidad de encontrar la composición atómica y química correcta para un electrolito sólido que tenga la conductividad iónica adecuada para proporcionar suficiente energía para un motor EV.
Es por eso que anteponemos las ventajas de las baterías de estado sólido con ‘podría’, ya que aún tienen que demostrar su valía en el mundo real en un dispositivo de consumo, y mucho menos en un automóvil eléctrico.
Obtener el electrolito sólido correcto es particularmente importante ya que es el precursor para permitir el uso de ánodos de litio, que pueden producir más iones de litio y, por lo tanto, más energía. Se cree que un electrodo de estado sólido es la solución al problema de dañar las estructuras similares a agujas llamadas dendritas que se forman en el ánodo a medida que se carga.
carga anticipada
A pesar de estos desafíos, la fascinación por las baterías de estado sólido es claramente fuerte, ya que Toyota, Honda y Nissan se han unido para crear el consorcio Libtec para desarrollar baterías de estado sólido. los Juegos Olímpicos de Tokio este año.
Y hay instituciones académicas, fabricantes de baterías y expertos en materiales que investigan cómo las baterías de estado sólido pueden convertirse en fuentes de energía de próxima generación para uso masivo. No hay escasez de exageraciones e interés en las baterías de estado sólido.
Sin embargo, Toyota no espera gestionar la producción en masa de baterías de estado sólido hasta mediados de la década. Y otros fabricantes de automóviles, como Volkswagen, no esperan tener baterías de estado sólido listas para usar en automóviles hasta al menos 2025.
IBM y Daimler están trabajando juntos para comprender mejor la tecnología de las baterías. “Necesitamos encontrar una química fundamentalmente diferente para crear las baterías del futuro”, dice Katie Pizzolato, directora de investigación de aplicaciones de IBM. “La computación cuántica puede permitirnos mirar de manera efectiva dentro de las reacciones químicas de las baterías, para comprender mejor los materiales y las reacciones que le darán al mundo estas mejores baterías”.
Vacuum y otro fabricante de tecnología de soplado de aire, Dyson, habían planeado fabricar un automóvil eléctrico alimentado por baterías de estado sólido para 2021. Pero desechó sus planes de automóviles el otoño pasado, aunque tiene la intención de seguir trabajando en la tecnología de baterías.
Fisker Inc, la reencarnación de la colapsada Fisker Automotive, declaró anteriormente una gran ambición de tener un automóvil que use baterías de estado sólido listo para 2020. Pero en el Consumer Electronics Show de este año, simplemente mostró el Ocean SUV, que funciona con baterías de iones de litio; no hubo noticias sobre una configuración de batería de estado sólido.
Entonces, si bien hay mucha actividad en torno al desarrollo de baterías de estado sólido, es bastante poco probable que vea un EV alimentado por ellas en el camino en el corto plazo.
un cortocircuito
Como uno de los mayores fabricantes de baterías de iones de litio del mundo, Panasonic tiene un aspecto en este juego de baterías. Sin embargo, calcula que a las baterías de estado sólido todavía les faltan unos diez años para su uso comercial.
Es copropietaria de Gigafactory de Tesla y suministra las baterías para los automóviles de Tesla, y calcula que la mejora a corto plazo en las baterías de los vehículos eléctricos provendrá del desarrollo de baterías de iones de litio.
En lugar de seguir la ruta del estado sólido, Tesla está trabajando para mejorar el rendimiento de las baterías de iones de litio, y el año pasado promocionó una nueva química que podría impulsar un EV durante un millón de millas.
Dadas las mejoras en las baterías de iones de litio y el kilometraje que se puede extraer de ellas, así como la forma en que ya se están produciendo en masa, es poco probable que las veamos expulsadas por baterías de estado sólido en el corto plazo.
Pero las baterías de estado sólido parecen la futura fuente de energía para los autos eléctricos, solo que el camino hacia ellas podría ser más largo de lo que se pensaba.
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