El especialista en consultoría para empresas tecnológicas IDTechEx ha publicado un informe en el que explica Los cinco caminos que están tomando los científicos para mejorar las baterías de litio. Los materiales, diseño y sistemas de producción utilizados hoy en día tanto en baterías ternarias ricas en níquel (NCM y NCMA) como en ferrofosfato de litio (LFP) están llegando al Límites teóricos de rendimiento lo que parece indicar que necesitan ser reemplazados por otras tecnologías. Sin embargo, la ciencia todavía tiene los recursos para ir un poco más allá con este tipo de baterías.
El informe “Baterías avanzadas de iones de litio y más allá de litio 2022-2032: tecnologías, jugadores, tendencias, mercados (Baterías de iones de litio avanzadas y más allá del litio 2022-2032: tecnologías, jugadores, tendencias, mercados)” fue creado por dos expertos en tecnología de almacenamiento de energía de IDTechEX, Alex holanda y xiaoxi he. “Se considera ampliamente que la iteración actual de baterías de iones de litio, basadas en ánodos de grafito, electrolitos líquidos y materiales de cátodo como NCM y LFP, está superando sus límites de rendimiento. Sin embargo, desde los materiales de las celdas hasta los diseños de las baterías, todavía existen múltiples vías que pueden conducir a mejoras adicionales en el rendimiento y el costo”, dicen los coautores, al resumir sus cinco hallazgos clave. aquí.
Del grafito al silicio en los ánodos de las baterías
En las baterías de iones de litio actuales, la grafito Se utiliza para formar la arquitectura de los ánodos de las celdas, creando una estructura para que se depositen los iones de litio. Los ánodos de silicio prometen mejoras significativas en la densidad de energía y el rendimiento y ofrecen una alternativa interesante a los ánodos de grafito tradicionales.
Que silicio se ha utilizado en pequeñas cantidades, menos del 5% en peso, en el ánodo de las baterías de litio, pero resulta difícil ir más allá de su uso como aditivo debido a su inherente expansión de volumen y los consiguientes problemas con su estabilidad y estabilidad. Sin embargo, la tecnología de ánodos de silicio ha mejorado en los últimos 10 a 15 años, lo que permite utilizar celdas entre 5 y 100% de silicio en el ánodo.
Las inversiones de la industria realizadas en 2022 muestran su interés por esta tecnología. Nexeon recaudó $200 millones para financiar la licencia de SKC, Amprius decidió cotizar en bolsa, Group14 Technologies recaudó $400 millones en su última ronda de financiación y Posco adquirió Tera Technos.
Entre los logros tecnológicos, Amprius entregó celdas comerciales con una densidad de 450 Wh/kg para uso en satélites, mientras que el dispositivo de fitness portátil Whoop 4.0, lanzado en septiembre de 2021, utiliza la tecnología de ánodo de silicio de Sila Nano. En conjunto, estos desarrollos indican un mercado maduro para los ánodos de silicio utilizados en una variedad cada vez mayor de aplicaciones. Pronósticos IDTechEx crecimiento significativo en la introducción de este material en ánodos, aunque el grafito seguirá siendo el material de ánodo dominante en la década de 2030.
Nuevos métodos de síntesis para materiales catódicos.
Es probable que las próximas baterías de iones de litio utilicen un conjunto de materiales de cátodo similar al que se utiliza comercialmente en la actualidad. Las mejoras en los materiales del cátodo generalmente serán incrementales. En cambio, el cambio más grande podría venir en la tecnología e innovación de cátodos. como se sintetizan.
Las técnicas actuales requieren altas temperaturas durante periodos de tiempo relativamente largos (días) y también utilizan grandes cantidades de reactivos y agua, lo que se traduce en altos costos de fabricación y un gran impacto ambiental. Materiales Nano One y 6K energía (parte de 6K Inc), por ejemplo, son dos de las empresas que buscan comercializar nuevas formas de sintetizar materiales catódicos.
Nano One Materials utiliza un proceso basado en una solución “de un solo recipiente” para producir materiales de cátodo revestidos. La empresa tiene una empresa conjunta con el fabricante de cátodos Pulead y firmó un acuerdo de desarrollo con BASF a principios de 2022. 6K Energy utiliza un reactor de plasma de microondas para fabricar sus materiales de cátodo. En él, también pueden sintetizar materiales de ánodo de silicio y electrolitos sólidos. 6K Inc cerró una ronda de financiación de 102 millones de dólares en mayo de 2022 y ha firmado acuerdos de desarrollo con el productor de litio Albemarle y la startup de cátodos Our Next Energy.
Tanto Nano One Materials como 6K Energy utilizan procesos de producción optimizados y prometedores para mejorar los rendimientos y los costos de fabricación al tiempo que reducen el impacto ambiental.
Electrolitos sólidos y otras formulaciones
Aunque los electrolitos sólidos son los que más atención mediática atraen, el uso de nuevos aditivos y formulaciones para electrolitos liquidos puede ofrecer mejoras incrementales continuas en baterías de litio.
Nuevas empresas de dominación desarrolla aditivos para electrolitos y disolventes basados en compuestos de fosfacenos, fósforo y nitrógeno para mejorar la seguridad y el rendimiento. En particular, sus materiales aditivos de electrolitos pueden mejorar la estabilidad térmica, reducir la presión de vapor y mejorar la formación de SEI. A largo plazo, la compañía tiene como objetivo reemplazar por completo los solventes orgánicos utilizados tradicionalmente con su sistema de electrolitos, con mejoras de seguridad potencialmente significativas.
Sin embargo, para muchos fabricantes de vehículos eléctricos, el Santo Grial tecnológico sigue siendo las baterías. electrolitos solidos. Las mejoras que pueden ofrecer en términos de rendimiento y seguridad (no inflamables) son significativas. Además, los electrolitos sólidos también ofrecen la posibilidad de utilizar ánodos de metal de litio, lo que podría conducir a densidades de energía más altas. 1.000 Wh/l.
Se espera que el mercado de baterías de estado sólido siga creciendo los $8.000 millones en 2031, aunque los electrolitos líquidos seguirán siendo una parte importante del mercado. Los desafíos relacionados con la estabilidad, la vida útil, la capacidad de fabricación e incluso la seguridad de los sistemas de electrolitos sólidos significan que la carrera entre los diferentes sistemas de electrolitos continuará.
Embalaje: el espacio no es infinito
En los vehículos eléctricos, la arquitectura y el diseño del paquete de baterías es clave para aumentar el rendimiento. Ya son varios los fabricantes que han anunciado baterías bajo el diseño tecnología CTP (cell to pack) que eliminan los materiales asociados a las cajas de los módulos. Esto optimiza la eficiencia del empaque ya que se puede colocar más material activo, lo que finalmente contribuye a mejorar la densidad de energía y la integración de la batería en el vehículo.
BYD ha anunciado que puede mejorar la utilización de las habitaciones para alcanzar una ocupación del 40-60 %. El fabricante de paquetes de baterías más grande del mundo, CATL de China, afirma que puede lograr una utilización del volumen del 72 % con su último diseño CTP 3.0. A principios de 2022, CATL anunció que sus envases LFP sin cobalto podrían servir 160 Wh/kg y 290 Wh/l, que empieza a ser competitivo con las baterías NCM (níquel-cobalto-manganeso).
Maximizar la densidad de energía puede ayudar a aliviar la principal desventaja de las celdas LFP más baratas, ofreciendo una forma de reducir el precio de las baterías mientras se mantiene su capacidad energética, ofreciendo así vehículos eléctricos de largo alcance.
BMS más inteligente
Las mejoras en los sistemas de administración de baterías (BMS) pueden presentar otra forma de mejorar el rendimiento de la batería sin los desafíos asociados con el desarrollo de materiales. Qnovo destaca cómo su software y análisis BMS pueden ayudar a mejorar la seguridad, la vida útil y el tiempo de carga al tiempo que aumenta la capacidad utilizable de la batería. La empresa logra esto a través de una combinación de datos de uso de la batería y mediciones de impedancia de la celda que informan los modelos físicos de las celdas de iones de litio, que a su vez se utilizan para optimizar los protocolos de operación y carga.
Si bien la evolución de la química de las celdas requiere un compromiso entre las características clave de rendimiento de la batería, la densidad de energía, la vida útil, la carga rápida y la seguridad, Las mejoras en BMS podrían ofrecer mejoras en todos.
Finalmente, hay varias formas de mejorar el rendimiento y el costo de la batería, algunas de las cuales no se mencionan aquí. Si bien es posible que algunos desarrollos solo brinden beneficios incrementales, tu combinación aumentará aún más el rendimiento de las baterías de iones de litio.
