Los ideales brillan en la realidad: las baterías de estado sólido se producirán en masa

En el contexto de la transformación de energía global, las nuevas tecnologías energéticas se están desarrollando rápidamente. Las baterías de estado sólido, como una tecnología de batería de próxima generación muy prometedora, se están convirtiendo gradualmente en el foco de la industria. Recientemente, los fabricantes de automóviles como Changan Automobile y BYD han anunciado el cronograma de instalación de las baterías de estado sólido, lo que indica que el proceso de comercialización de las baterías de estado sólido se está acelerando.

Las baterías de estado sólido se refieren a baterías de iones de litio que usan electrolitos de estado sólido. En términos de principios de trabajo, no son diferentes de las baterías de litio tradicionales, pero su núcleo, electrolitos de estado sólido, les brindan muchas ventajas sobre las baterías de litio líquidas tradicionales.

En términos de rendimiento de seguridad, el electrolito de las baterías de litio líquidas tradicionales es inflamable y volátil, lo cual es una causa importante de incendios de vehículos eléctricos e incluso explosiones. El electrolito sólido utilizado en las baterías de estado sólido no es inflamable, lo que reduce en gran medida el riesgo de combustión y explosión de la batería, y mejora enormemente la seguridad. Por ejemplo, algunas baterías de estado sólido pueden soportar altas temperaturas de 1, 000 grados y pueden continuar suministrando energía incluso si se corta una esquina.

En términos de densidad de energía, las baterías de estado sólido tienen ventajas obvias. La densidad de energía de las baterías de litio tradicionales se ha acercado gradualmente a un cuello de botella. La densidad de energía de las baterías de fosfato de hierro de litio es 150-210 WH/kg, y el límite superior de las baterías de litio ternario es de aproximadamente 350wh/kg. Se espera que la densidad de energía de las baterías de estado sólido alcance más de 500wh/kg. Por ejemplo, la densidad de energía de la batería Jinzhongzhao All-Solid-State desarrollada por Changan Automobile puede alcanzar 400wh/kg, y el rango de crucero supera los 1,500 kilómetros cuando está completamente cargado, lo que alivia en gran medida la ansiedad de alcance. Al mismo tiempo, los electrolitos sólidos pueden soportar voltajes más altos, y el volumen de la batería puede reducirse aún más, lo que mejora enormemente la velocidad de carga, y se espera que alcance un rango de crucero de 1, 000 kilómetros después de la carga durante 10 minutos.

En términos de estabilidad del ciclo y un rendimiento alto y de baja temperatura, las baterías de estado sólido totalmente sólido también funcionan bien. Su vida en el ciclo puede alcanzar más de 10, 000 veces, que es mucho más alta que las baterías de litio ternario y las baterías de fosfato de hierro de litio, y puede mantener un buen rendimiento en entornos de alta y baja temperatura, resolviendo efectivamente el problema de la carga lenta y la pérdida de potencia rápida de las baterías de litio tradicionales en temperaturas bajas en invierno.

En la actualidad, hay tres rutas técnicas principales para baterías de estado sólido: polímeros, óxidos y sulfuros.

Los electrolitos de polímeros pertenecen a la categoría de electrolitos orgánicos. Son flexibles, tienen buenas propiedades mecánicas, son fáciles de procesar y formar, son altamente compatibles con los procesos de producción de electrolitos líquidos existentes, son fáciles de preparar películas delgadas a gran escala y han logrado una producción de masa a pequeña escala. Sin embargo, su conductividad es baja a temperatura ambiente, generalmente entre 10⁻⁷ y 10⁻⁴s/cm, y deben calentarse a más de 60 grados para funcionar correctamente. Tienen una ventana electroquímica estrecha y una estabilidad térmica relativamente pobre.

Los electrolitos de óxido son estables en el aire, tienen una excelente estabilidad térmica, pueden soportar altas temperaturas superiores a 600 grados, tienen una alta resistencia mecánica, pueden inhibir efectivamente el crecimiento de dendritas de litio y son adecuadas para materiales de electrodo positivos de alto voltaje, como los materiales externos de alta nicka. El costo y la dificultad de I + D son relativamente bajos. Sin embargo, también tiene el problema de baja conductividad iónica. La conductividad a temperatura ambiente generalmente es entre 10⁻⁶ y 10⁻³s/cm, lo que debe mejorarse mediante sinterización de alta temperatura o agregar electrolitos líquidos, y la impedancia de la interfaz con el electrodo es alta, lo que resulta en una corta vida útil del ciclo.

Los electrolitos de sulfuro tienen un excelente rendimiento y la conductividad iónica más alta. La conductividad a temperatura ambiente puede alcanzar los 10⁻²s/cm, que está cerca del nivel de electrolitos líquidos. Apoyan la carga y la descarga rápidas, y la densidad de energía teórica excede las 500 °/kg. Son compatibles con los electrodos negativos de metal de litio, tienen una buena estabilidad térmica, son de textura suave y tienen una fuerte plasticidad. Sin embargo, tienen poca estabilidad química y son fáciles de reaccionar con la humedad y el oxígeno en el aire para generar gases de sulfuro de hidrógeno tóxico. Son difíciles de preparar y tienen altos costos de producción.

A nivel mundial, muchas compañías han invertido en la investigación y el desarrollo y la producción de baterías de estado sólido y aceleraron su diseño. Los fabricantes de automóviles japoneses comenzaron temprano en la investigación y el desarrollo de baterías de estado sólido.
Toyota Motors comenzó la investigación y el desarrollo de la batería de estado sólido ya en 2006, y recientemente anunció que comenzará la producción de prueba a pequeña escala en 2026 y la producción en masa después de 2030;
Honda Motors anunció que comenzará la producción de prueba de baterías de estado sólido para vehículos eléctricos puros en enero de 2025; Nissan planea comenzar la producción de baterías de estado sólido en su planta de Yokohama este año, y lanzar vehículos eléctricos equipados con baterías de estado sólido para 2028.

Las empresas chinas tampoco están dispuestas a quedarse atrás. CATL ha construido una línea de producción piloto para baterías de estado sólido y actualmente está realizando optimización de procesos y verificación de productos. Se espera que produzca las baterías de estado sólido en masa a pequeña escala en 2027.

BYD comenzó la investigación y el desarrollo de baterías de estado sólido en 2013 y ha comenzado la verificación de la industrialización de la batería de estado sólido, cubriendo avances clave de tecnología de materiales, desarrollo del sistema de celdas de baterías y construcción de la línea de producción. Se espera que comience la demostración en masa e instalación de baterías de estado sólido en 2027 y lograr una comercialización a gran escala después de 2030.

Changan Automobile planea lanzar 8 celdas de baterías autodesarrolladas, incluidas líquidas, semisólidas y sólidas, para 2030, para lanzar prototipos funcionales en 2025, y para producir gradualmente las baterías de estado sólido en 2027.

Gac Aion anunció que logrará la producción en masa e instalación de baterías de estado sólido en 2026, y primero se instalará en su marca de alta gama Haobo;

Chery Automobile planea lograr la instalación de baterías de estado sólido en 2026 y la producción en masa a gran escala en 2027;

SAIC Group anunció que las baterías de estado sólido se producirán en masa y se entregarán en 2026, y los autos nuevos de Zhiji equipados con baterías de estado sólido se producirán y entregarán en 2027 en 2027.

Desde la perspectiva general de la industria, la cadena de la industria de la batería de estado sólido es similar a la de las baterías líquidas, que cubre el suministro de materia prima aguas arriba, los materiales de batería de la corriente media y la fabricación, y las áreas de aplicación aguas abajo. El aguas arriba proporciona principalmente recursos de metal como litio, cobalto y níquel, así como materiales centrales para electrolitos de estado sólido. Tiene una fuerte dependencia de los recursos, altas barreras técnicas y una alta concentración de mercado. Midstream es el enlace central de la investigación y el desarrollo y la fabricación de la batería. La innovación tecnológica es la fuerza impulsora clave, pero enfrenta problemas de procesos complejos y presión de alta costo. Los campos de aplicación aguas abajo son amplios, cubriendo nuevos vehículos de energía, almacenamiento de energía, electrónica de consumo y otros campos, con un fuerte soporte de políticas y un gran potencial de mercado.

Aunque las baterías de estado sólido tienen perspectivas amplias, aún enfrentan muchos desafíos en el camino hacia la producción en masa comercial.

A nivel técnico, aunque se han realizado algunos progresos en electrolitos sólidos, materiales de electrodos positivos y negativos, etc., todavía hay algunos problemas científicos básicos y problemas técnicos de ingeniería que deben resolverse con urgencia. Por ejemplo, cómo mejorar aún más la conductividad iónica de los electrolitos sólidos, mejorar su compatibilidad con el metal de litio y los materiales de electrodos de energía de alta energía específicos, y construir una interfaz sólida sólida compatible y estable. Las diferentes rutas técnicas también tienen sus propias deficiencias, como la pobre estabilidad química y la dificultad de la preparación de electrolitos de sulfuro, y la baja conductividad iónica de los electrolitos de óxido. Estos problemas requieren una inversión continua en I + D para superar.

El costo también es un factor importante que limita la aplicación a gran escala de baterías de estado sólido. En la actualidad, el costo de los monómeros de batería de iones de litio líquido es de aproximadamente 0. 5 yuanes por vatio-hora, mientras que el costo material de las baterías de estado sólido es de más de 2 yuanes por vatio sin producción de masas a gran escala. El costo del material de un paquete de baterías de kilovatio-hora de kilovatio solo excede los 200, 000 yuan, que es mucho más alto que las baterías líquidas existentes. Tomar las baterías de sulfuro de estado sólido como ejemplo, el indio de metal raro requerido para su producción es costosa, y la preparación de precursores de sulfuro de litio es difícil y costosa, lo que conduce al alto costo general de las baterías.

A nivel de mercado, las baterías de estado sólido, como nuevos productos, necesitan una cierta cantidad de tiempo para obtener el reconocimiento y la aceptación del mercado. Aunque tienen ventajas en la densidad y seguridad de la energía, todavía hay margen de mejora en comparación con las baterías de litio tradicionales en términos de vida del ciclo. Además, aunque algunas compañías han alcanzado la entrega de muestras de lotes pequeños, aún no han formado pedidos estables, y existe incertidumbre en las perspectivas reales de aplicaciones.

Mirando hacia el futuro, se espera que las baterías de estado sólido jueguen un papel importante en muchos campos. En el campo de los nuevos vehículos de energía, mejorará significativamente el rango de crucero del vehículo, la velocidad de seguridad y carga, promoverá la nueva industria de vehículos energéticos a un nivel más alto y acelerará la transformación de electrificación de la industria automotriz.

En el campo del almacenamiento de energía, las características de alta densidad de energía y de vida de ciclo de larga duración de las baterías de estado sólido les permiten almacenar electricidad de manera más eficiente, equilibrar el suministro y la demanda de electricidad, y proporcionar un fuerte apoyo para el acceso a gran escala y la operación estable de energía renovable.

En el campo de la electrónica de consumo, las baterías de estado sólido pueden hacer que los dispositivos sean más delgados y duraderos y mejorar la experiencia del usuario.

Con el avance continuo de la tecnología y el desarrollo de la industria, el rendimiento de las baterías de estado sólido continuará mejorando, y se espera que el costo disminuya gradualmente. La inversión continua y la I + D de muchas empresas, así como la promoción de la innovación colaborativa entre la industria, la academia y la investigación, acelerará el avance tecnológico y la comercialización de las baterías de estado sólido. A nivel político, los gobiernos de varios países aumentan constantemente su apoyo a las nuevas tecnologías energéticas, que también creará un buen ambiente político para el desarrollo de la industria de baterías de estado sólido.

Como las alturas dominantes de la competencia para la tecnología de baterías de próxima generación, las baterías de estado sólido enfrentan múltiples desafíos como la tecnología, el costo y el mercado, pero tienen un futuro brillante. En la ola de transformación de energía global y progreso tecnológico, se espera que las baterías de estado sólido se conviertan en la fuerza central para promover la transformación del almacenamiento de energía y marcar el comienzo de una nueva era de almacenamiento de energía.