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Batería de estado semisólido

Una batería de estado semisólido (también conocida formalmente como batería de estado cuasi-sólido , QSSB ) es un tipo de batería recargable que sirve como tecnología intermedia...

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Una batería de estado semisólido (también conocida formalmente como batería de estado cuasi-sólido , QSSB ) es un tipo de batería recargable que sirve como tecnología intermedia entre las baterías de iones de litio convencionales (LIB) con electrolitos líquidos y las baterías de estado totalmente sólido (ASSB) que utilizan un electrolito híbrido sólido-líquido de estado semisólido . [ 1 ]

El objetivo principal de esta tecnología es mejorar la seguridad de las baterías reduciendo la cantidad de electrolito líquido inflamable, mitigando así el riesgo de incendio y crecimiento de dendritas asociado con las baterías de iones de litio tradicionales. Al mismo tiempo, busca superar los desafíos importantes que enfrentan las baterías de estado sólido, como la alta resistencia interfacial y el contacto deficiente entre el electrolito sólido y los electrodos. [ 2 ] [ 3 ] A partir de 2023, las baterías disponibles comercialmente comercializadas como de "estado sólido" eran en realidad baterías de estado cuasi sólido. [ 1 ]

Razón fundamental

El desarrollo de baterías de estado semisólido está impulsado por las limitaciones específicas de los electrolitos líquidos y de los electrolitos totalmente sólidos.

  • Baterías de electrolito líquido (LEB) : Las baterías de iones de litio convencionales se basan en electrolitos líquidos orgánicos que son altamente inflamables, lo que supone un riesgo significativo de incendio y explosión. También son susceptibles a la formación y el crecimiento de dendritas de litio en el ánodo durante la carga, que pueden perforar el separador y provocar un cortocircuito interno. [ 2 ] [ 4 ]
  • Baterías de estado sólido : Si bien las baterías de estado sólido eliminan el líquido inflamable y pueden suprimir físicamente el crecimiento de dendritas, presentan problemas críticos de rendimiento. La rigidez de los electrolitos sólidos genera un contacto físico deficiente con los electrodos, creando una alta impedancia en la interfaz. Esta impedancia interfacial restringe severamente el flujo de iones, limitando la potencia de salida y el rendimiento de ciclado de la batería. [ 5 ] [ 1 ] [ 6 ]

Las baterías de estado semisólido se diseñan como una solución de compromiso para equilibrar estos factores. Al utilizar una pequeña cantidad de líquido o una sustancia similar a un gel dentro de una matriz sólida, mantienen un buen contacto interfacial y una alta conductividad iónica, a la vez que mejoran significativamente la seguridad en comparación con las baterías de iones de litio tradicionales. [ 2 ]

Tipos

El núcleo de una batería de estado semisólido es el electrolito de estado semisólido , que suele ser un electrolito polimérico en gel (GPE). Un GPE consta de una matriz polimérica sólida que atrapa un componente líquido (un plastificante , como un electrolito líquido convencional). [ 2 ] Esta estructura proporciona la estabilidad mecánica de un sólido a la vez que conserva la alta conductividad iónica de un líquido. Las propiedades del GPE están determinadas en gran medida por la elección de la matriz polimérica.

Matrices poliméricas

  • A base de poli(óxido de etileno) (PEO): El PEO es un polímero ampliamente estudiado debido a su gran capacidad para disolver sales de litio. Sin embargo, su alta cristalinidad puede provocar una baja conductividad iónica a temperatura ambiente y presenta una escasa estabilidad electroquímica por encima de 4,0 V. [ 2 ]
  • Basado en fluoruro de polivinilideno (PVDF): El PVDF y su copolímero , poli(fluoruro de vinilideno-co-hexafluoropropileno) (PVDF-HFP), ofrecen alta resistencia mecánica, buena estabilidad química y una amplia ventana electroquímica (hasta 5,0 V), lo que los hace adecuados para baterías de alto voltaje. A menudo se utilizan estrategias para reducir la cristalinidad del PVDF, como la mezcla o la adición de cargas, para mejorar la conductividad iónica. [ 7 ]
  • A base de poli(líquido iónico) (PIL): Estos polímeros incorporan grupos de líquido iónico en su estructura. Este diseño aprovecha las propiedades de los líquidos iónicos, como su volatilidad extremadamente baja y su alta estabilidad electroquímica, para crear GPE más seguros y estables. [ 8 ]
  • Conductores de iones únicos (SIC): En un electrolito convencional, tanto los cationes (Li⁺) como los aniones se mueven libremente. En un SIC, los aniones están unidos covalentemente a la cadena principal del polímero. Esto restringe el movimiento de los aniones y permite que solo los iones Li⁺ se desplacen, lo que resulta en un alto número de transferencia de Li⁺ (cercano a 1,0). Esto minimiza la polarización de concentración y es altamente eficaz para suprimir el crecimiento de dendritas. [ 9 ]
  • Las células también se desarrollaron a partir de matrices basadas en poliacrilonitrilo (PAN), poli(metacrilato de metilo) (PMMA), polisilicio y policarbonato . [ 10 ]

electrolitos compuestos

Otro enfoque común consiste en crear un electrolito compuesto mediante la dispersión de rellenos cerámicos inorgánicos (como LLZO , SiO₂ o BaTiO₃ ) en una matriz polimérica. Estos rellenos cerámicos pueden aumentar la conductividad iónica y mejorar la estabilidad mecánica y térmica del electrolito. Este diseño también evita el contacto directo y a menudo reactivo entre el material cerámico y los electrodos. [ 5 ]

Métodos de preparación

El método de fabricación del electrolito de polímero en gel es fundamental para el rendimiento final de la batería, en particular su resistencia interfacial.

Preparación ex situ

En el método ex situ , primero se prepara una membrana polimérica autoportante mediante técnicas como el moldeo por solución o la electrohilatura . Esta membrana se coloca dentro de la celda de la batería durante el ensamblaje y se hincha con un electrolito líquido para formar el GPE. Una desventaja importante de este método es el posible contacto físico deficiente entre la membrana preformada y los electrodos, lo que puede resultar en una alta resistencia interfacial. [ 11 ]

Preparación in situ

El método in situ consiste en inyectar un precursor líquido —una mezcla de monómeros, una sal de litio y un iniciador— directamente en la celda de batería ensamblada. El líquido penetra completamente en los poros de los electrodos y luego se polimeriza (activado por calor o luz ultravioleta) para formar el GPE in situ. Este proceso crea una interfaz íntima y sin fisuras entre el electrolito y los electrodos, lo que reduce significativamente la resistencia interfacial y mejora el rendimiento general de la batería. Este método se considera más propicio para la comercialización, ya que se adapta bien a los procesos de fabricación de baterías existentes. [ 12 ]

Seguridad

Si bien las baterías de estado semisólido son significativamente más seguras que las baterías convencionales de electrolito líquido, no son inherentemente inmunes a fallas. La presencia de incluso una pequeña cantidad de plastificante líquido o en gel significa que aún contienen un componente inflamable. [ 13 ]

Las pruebas de seguridad comparativas han demostrado que, bajo calentamiento externo, las baterías QSSB aún pueden sufrir un descontrol térmico , aunque la reacción puede iniciarse a una temperatura más alta y ser ligeramente menos energética que en una batería de iones de litio tradicional. En caso de fallos causados ​​por un cortocircuito interno (por ejemplo, por penetración de dendritas), el calor liberado puede ser comparable al de una batería de electrolito líquido. Por lo tanto, si bien la seguridad mejora, no es absoluta, y la gestión térmica y los sistemas de protección de la batería siguen siendo cruciales. [ 4 ]

Referencias

Véase también

Fuentes

  • Han, Changxing; Shui, Xiong; Chen, Guansheng; Xu, Gaojie; Mamá, junio; Dong, Shanmu; Wang, Shitao; Zhou, Xinhong; Cui, Zili; Qiao, Lixin; Cui, Guanglei (agosto de 2024). "Progresos recientes en electrolitos de polímero en gel para baterías de metal litio" . Gigante . 19 100337. doi : 10.1016/j.giant.2024.100337 .
  • Manthiram, Arumugam; Yu, Xingwen; Wang, Sheng (noviembre de 2019). "Construyendo mejores baterías de estado sólido: una revisión" . Materials . 12 (23): 3892. Bibcode : 2019Mate...12.3892M . doi : 10.3390/ma12233892 . PMC 6926585 . 
  • Zhao, Zhaoyang; Hu, Haitao; He, Zhengyou; Zhu, Hongyi; Davari, Pooya; Blaabjerg, Frede (diciembre de 2023). "Batería de litio de estado sólido avanzada y su seguridad" . CPSS Transactions on Power Electronics and Applications . 8 (4): 348– 362. doi : 10.24295/CPSSTPEA.2023.00027 .