Análisis en profundidad de la tecnología de baterías: Comparación multidimensional de las baterías de estado semisólido y las baterías de litio ternarias NMC

En el panorama actual de la tecnología de baterías, estado semisólido y las baterías ternarias de litio destacan como dos "estrellas" de gran prestigio, elegidas con frecuencia por los fabricantes de dispositivos para el usuario final. Aunque ambas tienen el objetivo común de suministrar energía a los equipos, difieren significativamente en varias dimensiones clave. ¿Qué factores intrínsecos conforman sus características únicas, orientándolas hacia caminos tecnológicos y de aplicación distintos? En este artículo, el equipo de Grepow se adentrará en un análisis multifacético, guiándole más allá de la superficie para obtener una comprensión profunda de las diferencias fundamentales entre las baterías de estado semisólido y las baterías ternarias de litio.

1. Qué son las baterías de estado semisólido y las baterías de litio ternarias?

Pilas de estado semisólido

Definición: Las baterías de estado semisólido representan una tecnología híbrida entre las baterías líquidas tradicionales y las baterías de estado totalmente sólido. Sus materiales de electrodo son parcial o totalmente sólidos, mientras que el electrolito es una mezcla de electrolitos sólidos y líquidos o una sustancia gelatinosa que contiene cierta cantidad de electrolito líquido. Características estructurales: La estructura de las baterías de estado semisólido se parece a la de las baterías líquidas tradicionales, pero difiere en la composición y distribución de electrodos y electrolitos. Los electrodos suelen utilizar materiales multielementos con alto contenido en níquel o materiales ricos en litio a base de manganeso como cátodo, y ánodos de carbono-silicio como ánodo, lo que mejora la densidad energética y el rendimiento de carga-descarga. El electrolito combina electrolitos sólidos de gran conductividad iónica y estabilidad -como óxidos o sulfuros- con una pequeña cantidad de electrolito líquido para mejorar la eficacia del transporte de iones.

Pilas de litio ternarias

Definición: Las baterías ternarias de litio son baterías de iones de litio con cátodos compuestos de níquel, manganeso y cobalto.

Características estructurales: Las baterías ternarias de litio suelen fabricarse mediante un proceso de celdas de bolsa laminada, que ofrecen una alta densidad energética y un buen rendimiento de carga-descarga. El material del cátodo es un compuesto ternario, mientras que el ánodo suele utilizar ánodos de grafito o silicio-carbono para aumentar la capacidad y la eficiencia de carga-descarga.

2. ¿En qué se diferencian los ciclos de vida de las baterías de litio semisólidas y ternarias?

Diferencias en el intervalo de duración del ciclo

  • Las pilas de estado semisólido pueden alcanzar una vida útil superior a 2.000 ciclos, con densidades energéticas que oscilan entre 280 y 350 Wh/kg y una mejora potencial de 10% en la vida útil del ciclo.

  • Las baterías ternarias de litio NMC suelen ofrecer una vida útil de unos 1.000 ciclos, conservando más de 80% de capacidad después de 1.000 ciclos.

Factores que influyen en la duración del ciclo

  • Pilas de estado semisólido: El uso de electrolitos semisólidos garantiza un contacto más estable entre los electrodos y los electrolitos, lo que reduce el desprendimiento de material de los electrodos y las reacciones secundarias durante los ciclos de carga y descarga, prolongando así la vida útil de los ciclos. Además, la estabilidad química y térmica de los electrolitos semisólidos minimiza los problemas de descomposición o degradación durante los ciclos, aumentando aún más la longevidad de la batería.

  • Pilas de litio ternarias: En las baterías de iones de litio líquidas tradicionales, el electrolito líquido reacciona continuamente con los materiales del electrodo durante ciclos prolongados, lo que provoca daños estructurales y reduce el rendimiento. El alto contenido de níquel en los materiales ternarios hace que el cátodo sea propenso a cambios estructurales -como la transición de una estructura estratificada a una espinela- durante la carga y descarga, lo que degrada el rendimiento electroquímico y afecta a la vida útil del ciclo.

Impacto de la vida útil en las aplicaciones prácticas

  • Pilas de estado semisólido: Su ciclo de vida prolongado es idóneo para aplicaciones que exigen una elevada vida útil de las baterías, como la economía de baja altitud (drones), los vehículos eléctricos (VE) y las estaciones de almacenamiento de energía. En los vehículos eléctricos, un ciclo de vida largo significa que la batería puede mantener su rendimiento durante toda la vida útil del vehículo, lo que reduce la degradación de la autonomía y la frecuencia de sustitución, disminuyendo así los costes para el usuario.

  • Pilas de litio ternarias: Aunque su ciclo de vida es más corto, siguen siendo ventajosos en aplicaciones sensibles a los costes con requisitos de vida útil menos estrictos. Por ejemplo, los aparatos electrónicos de consumo con ciclos de uso más cortos -que suelen sustituirse en pocos años- pueden satisfacer las necesidades de rendimiento durante su ciclo de vida, mientras que el coste relativamente más bajo mejora la competitividad del mercado.

3. ¿Por qué las baterías de estado semisólido son generalmente más seguras que las baterías de litio ternarias?

Estabilidad térmica

  • Pilas de estado semisólido: Al utilizar una mezcla de electrolitos sólidos o de electrolitos sólidos y líquidos, las baterías semisólidas se benefician de la gran estabilidad térmica de los electrolitos sólidos, que no son volátiles ni inflamables. Mantienen su rendimiento a altas temperaturas, reduciendo el riesgo de embalamiento térmico. Por ejemplo, un producto de batería semisólida que utiliza tecnología de curado in situ para una estructura polimérica demuestra una excelente seguridad, ya que no se produce ningún incendio ni explosión ni siquiera en pruebas a altas temperaturas.

  • Pilas de litio ternarias: Al depender de electrolitos líquidos, las baterías ternarias de litio tienen menor estabilidad térmica. A altas temperaturas, el electrolito puede descomponerse o volatilizarse, generando calor y gases que aumentan la probabilidad de embalamiento térmico y pueden provocar incendios o explosiones.

Supresión del crecimiento de dendritas de litio

  • Pilas de estado semisólido: Los electrolitos sólidos proporcionan resistencia mecánica para suprimir eficazmente el crecimiento y la penetración de dendritas de litio. Las dendritas de litio, causa principal de cortocircuitos internos, se mitigan con las baterías semisólidas, mejorando la seguridad. Empresas como Qingtao Energy han desarrollado baterías semisólidas con electrolitos sólidos que impiden la formación de dendritas, garantizando un funcionamiento seguro.

  • Pilas de litio ternarias: Durante los ciclos de carga y descarga, los iones de litio de las baterías ternarias pueden formar dendritas en la superficie del ánodo. Cuando éstas crecen lo suficiente, pueden perforar el separador, provocando cortocircuitos y desencadenando el desbocamiento térmico.

Tolerancia a la sobrecarga

  • Pilas de estado semisólido: Algunas baterías semisólidas presentan una buena tolerancia a la sobrecarga. El uso de electrolitos sólidos puede limitar las reacciones redox excesivas durante la sobrecarga, reduciendo riesgos como el hinchamiento o la ignición causados por la sobrecarga.

  • Pilas de litio ternarias: La presencia de electrolitos líquidos en las baterías ternarias las hace propensas a reacciones químicas intensas durante la sobrecarga, lo que genera un calor y un gas considerables. Este rápido aumento de la presión interna aumenta el riesgo de explosión.

Resistencia a la compresión y a la perforación

  • Pilas de estado semisólido: Algunas baterías semisólidas, debido a su estructura interna y materiales, ofrecen una resistencia superior a la compresión y la perforación. Por ejemplo, las baterías semisólidas de BAK Battery sobresalen en las pruebas de penetración de clavos, sin que se produzcan incendios, explosiones o fugas, algo fundamental para evitar incidentes de seguridad en caso de impacto externo.

  • Pilas de litio ternarias: Las baterías líquidas son vulnerables a la rotura del separador o al contacto de los electrodos cuando se comprimen o perforan, lo que provoca cortocircuitos y embalamiento térmico.

4. Factores que influyen en la seguridad de las baterías de estado semisólido

Sistema electrolítico

  • Contenido y rendimiento del electrolito sólido: La cantidad y la calidad del electrolito sólido son vitales para la seguridad de la batería. Un electrolito sólido demasiado escaso no aísla el cátodo y el ánodo, con el consiguiente riesgo de cortocircuito, mientras que un exceso puede dificultar la eficiencia del transporte de iones y reducir el rendimiento. Los electrolitos sólidos con alta conductividad iónica y estabilidad térmica -como los electrolitos a base de óxido- mejoran la seguridad a altas temperaturas, al tiempo que garantizan una carga-descarga normal.

  • Electrolito líquido residual: Aunque reducido en comparación con las baterías líquidas tradicionales, el electrolito líquido residual de las baterías semisólidas debe controlarse estrictamente. Las fugas durante el uso pueden provocar cortocircuitos o corrosión, disminuyendo la seguridad. En condiciones extremas, como altas temperaturas o sobrecarga, puede descomponerse y generar gas, aumentando la presión interna y los riesgos de explosión.

Materiales de los electrodos

  • Materiales del cátodo: La estabilidad y la seguridad de los materiales de los cátodos influyen considerablemente en la seguridad general de las baterías. Los cátodos de alto contenido en níquel ofrecen una gran densidad energética, pero son propensos a sufrir cambios estructurales y descomposición térmica a altas temperaturas o sobrecargas, lo que libera oxígeno y aumenta el riesgo de incendio o explosión. Modificar o recubrir los cátodos de alto contenido en níquel para mejorar su estabilidad térmica y estructural es crucial para la seguridad.

  • Materiales para ánodos: La selección del ánodo también afecta a la seguridad. Los ánodos de silicio, por ejemplo, se dilatan considerablemente durante la carga y descarga, lo que puede provocar la pulverización y el desprendimiento del electrodo y afectar a la vida útil del ciclo y a la seguridad. Los ánodos de metal de litio, a pesar de su elevada capacidad teórica, pueden formar dendritas en la práctica, perforar los separadores o los electrolitos sólidos y provocar cortocircuitos internos.

Proceso de fabricación de baterías

  • Compatibilidad de la interfaz entre el electrolito y los electrodos: Durante la producción, garantizar una buena compatibilidad de interfaz entre los electrolitos sólidos y los materiales de los electrodos es esencial para un transporte de iones sin problemas. Una mala compatibilidad aumenta la resistencia de la interfaz, genera calor durante la carga y descarga y afecta a la seguridad y la vida útil.

  • Proceso de encapsulación: La calidad del encapsulado de la batería está directamente relacionada con el sellado y la seguridad. Un encapsulado eficaz impide la entrada de humedad u oxígeno externos, evitando la corrosión o daños en los electrodos y electrolitos. También debe proporcionar resistencia mecánica para soportar la compresión o las colisiones durante el uso, evitando daños estructurales y riesgos para la seguridad.

Sistema de gestión de baterías

  • Protección contra sobrecarga y sobredescarga: La protección contra sobrecarga y sobredescarga en el sistema de gestión de baterías (BMS) es fundamental para la seguridad de las baterías semisólidas. La sobrecarga desencadena reacciones químicas irreversibles, generando calor y gas que elevan la temperatura y la presión, lo que plantea riesgos para la seguridad. Unos mecanismos de protección eficaces cortan los circuitos de carga para evitar la sobrecarga.

  • Gestión térmica: El calor generado durante la carga y descarga puede sobrecalentar la batería y afectar a su rendimiento y seguridad si no se disipa eficazmente. Los módulos de gestión térmica BMS, que utilizan ventiladores o tubos de refrigeración, garantizan que la batería funcione dentro de un rango de temperatura seguro, lo que aumenta su longevidad y seguridad.

Entorno y condiciones de uso

  • Temperatura: Las temperaturas extremadamente altas o bajas afectan a la seguridad de las baterías semisólidas. Las altas temperaturas aceleran las reacciones químicas, con el consiguiente riesgo de fuga térmica, mientras que las bajas reducen la eficacia de carga y descarga, lo que puede dañar los electrodos y afectar a la vida útil y la seguridad. Son necesarias medidas como la refrigeración reforzada a altas temperaturas o el precalentamiento a bajas temperaturas.

  • Impacto exterior: La compresión, la colisión o la perforación durante el uso pueden dañar las estructuras internas, provocando cortocircuitos o fugas. El diseño y la fabricación de las baterías deben dar prioridad a la resistencia a los impactos externos -utilizando carcasas de alta resistencia y estructuras internas optimizadas- para garantizar la seguridad.

Conclusión

En el ámbito de la tecnología de baterías, las baterías de litio ternarias y de estado semisólido tienen cada una sus puntos fuertes y se adaptan a distintos dispositivos en función de sus necesidades específicas. Newbettercell, con más de 20 años de experiencia en pilas recargables I+D y fabricación de bateríasproduce baterías de estado semisólido con opciones de voltaje de 4S (14,8V) a 18S (68,4V) y capacidades de hasta 84Ah. Nuestra variada línea de productos se adapta a diversos escenarios de aplicación. Si tiene preguntas o requisitos especiales, no dude en ponerse en contacto con nosotros a través del servicio de atención al cliente en línea, por teléfono o mensaje; le responderemos rápidamente con un servicio de asistencia especializado.