Os ideais brilham na realidade: as baterias de estado sólido serão produzidas em massa

No contexto da transformação global de energia, novas tecnologias de energia estão se desenvolvendo rapidamente. As baterias de estado sólido, como uma tecnologia de bateria de próxima geração altamente promissora, estão gradualmente se tornando o foco da indústria. Recentemente, montadoras como Changan Automobile e BYD anunciaram o cronograma de instalação de baterias de estado sólido, indicando que o processo de comercialização de baterias de estado sólido está se acelerando.

As baterias de estado sólido se referem a baterias de íons de lítio que usam eletrólitos de estado sólido. Em termos de princípios de trabalho, eles não são diferentes das baterias tradicionais de lítio, mas de seus eletrólitos centrais, de estado sólido, oferecem muitas vantagens sobre as baterias tradicionais de lítio líquido.

Em termos de desempenho de segurança, o eletrólito das baterias tradicionais de lítio líquido é inflamável e volátil, que é uma causa importante de incêndios em veículos elétricos e até explosões. O eletrólito sólido usado em baterias de estado sólido não é inflamável, o que reduz bastante o risco de combustão e explosão de bateria e melhora bastante a segurança. Por exemplo, algumas baterias de estado sólido podem suportar altas temperaturas de 1, 000 graus e podem continuar a fornecer energia, mesmo que um canto seja cortado.

Em termos de densidade energética, as baterias de estado sólido têm vantagens óbvias. A densidade energética das baterias tradicionais de lítio se aproximou gradualmente de um gargalo. A densidade de energia das baterias de fosfato de ferro de lítio é 150-210 wh/kg, e o limite superior das baterias ternárias de lítio é de cerca de 350wh/kg. Espera-se que a densidade de energia das baterias de estado sólido atinja mais de 500wh/kg. Por exemplo, a densidade energética da bateria de Estado Sólido Jinzhongzhao, desenvolvido pela Changan Automobile, pode atingir 400wh/kg, e a faixa de cruzeiro excede 1.500 quilômetros quando totalmente carregada, o que alivia bastante a ansiedade do alcance. Ao mesmo tempo, os eletrólitos sólidos podem suportar tensões mais altas, e o volume da bateria pode ser reduzido ainda mais, o que melhora bastante a velocidade de carregamento, e espera -se que ele atinja um intervalo de cruzeiro de 1, 000} quilômetros após o carregamento por 10 minutos.

Em termos de estabilidade do ciclo e desempenho de alta e baixa temperatura, as baterias de estado sólido também têm um bom desempenho. Sua vida útil do ciclo pode atingir mais de 10, 000 vezes, que é muito maior que as baterias ternárias de lítio e baterias de fosfato de ferro de lítio, e pode manter um bom desempenho em ambientes de alta e baixa temperatura, resolvendo efetivamente o problema de carregamento lento e rápida perda de energia das baterias tradicionais de lítio em temperaturas baixas no inverno.

Atualmente, existem três rotas técnicas convencionais para baterias de estado sólido: polímeros, óxidos e sulfetos.

Os eletrólitos de polímeros pertencem à categoria de eletrólitos orgânicos. Eles são flexíveis, têm boas propriedades mecânicas, são fáceis de processar e formar, são altamente compatíveis com os processos de produção de eletrólitos líquidos existentes, são fáceis de preparar filmes finos em larga escala e alcançaram a produção em massa em pequena escala. No entanto, sua condutividade é baixa à temperatura ambiente, geralmente entre 10⁻⁷ e 10⁻⁴s/cm, e eles precisam ser aquecidos acima de 60 graus para funcionar corretamente. Eles têm uma janela eletroquímica estreita e estabilidade térmica relativamente baixa.

Os eletrólitos de óxido são estáveis ​​no ar, têm excelente estabilidade térmica, podem suportar altas temperaturas acima de 600 graus, ter alta resistência mecânica, podem inibir efetivamente o crescimento de dendritos de lítio e são adequados para materiais de eletrodo positivos de alta tensão, como materiais ternários de alto níquel. O custo e a dificuldade em P&D são relativamente baixos. No entanto, também tem o problema da baixa condutividade iônica. A condutividade à temperatura ambiente é geralmente entre 10⁻⁶ e 10⁻ l/cm, que precisa ser melhorada pela sinterização de alta temperatura ou pela adição de eletrólitos líquidos, e a impedância da interface com o eletrodo é alta, resultando em uma curta vida útil do ciclo.

Os eletrólitos de sulfeto têm excelente desempenho e a maior condutividade iônica. A condutividade à temperatura ambiente pode atingir 10⁻²/cm, que fica próximo ao nível de eletrólitos líquidos. Eles apóiam o carregamento e descarga rápido, e a densidade teórica de energia excede 500Wh/kg. Eles são compatíveis com eletrodos negativos de metal de lítio, têm boa estabilidade térmica, são macios em textura e têm forte plasticidade. No entanto, eles têm baixa estabilidade química e são fáceis de reagir com umidade e oxigênio no ar para gerar gás tóxico de sulfeto de hidrogênio. Eles são difíceis de preparar e têm altos custos de produção.

Globalmente, muitas empresas investiram na pesquisa e desenvolvimento e produção de baterias de estado sólido e aceleraram seu layout. As montadoras japonesas começaram no início da pesquisa e desenvolvimento de baterias de estado sólido.
A Toyota Motors iniciou a pesquisa e o desenvolvimento de baterias de estado sólido em 2006 e anunciou recentemente que iniciará a produção de testes em pequena escala em 2026 e a produção em massa após 2030;
A Honda Motors anunciou que iniciará a produção de avaliação de baterias de estado sólido para veículos elétricos puros em janeiro de 2025; A Nissan planeja iniciar a produção de baterias de estado sólido em sua fábrica de Yokohama este ano e lançar veículos elétricos equipados com baterias de estado sólido até 2028.

As empresas chinesas também não estão dispostas a ficar para trás. A CATL construiu uma linha de produção piloto para baterias de estado sólido e atualmente está realizando otimização de processos e verificação de produtos. Espera-se que as baterias em massa produzirem em massa em um estado sólido em pequena escala em 2027.

A BYD iniciou a pesquisa e o desenvolvimento de baterias de estado sólido em 2013 e iniciou a verificação da viabilidade da industrialização da bateria de estado sólido, cobrindo os principais avanços da tecnologia de materiais, o desenvolvimento do sistema de células de bateria e a construção da linha de produção. Espera-se que inicie a demonstração de massa e a instalação de baterias de estado sólido em 2027 e obtenha comercialização em larga escala após 2030.

A Changan Automobile planeja lançar 8 células de bateria auto-desenvolvidas, incluindo líquido, semi-sólido e sólido, até 2030, para lançar protótipos funcionais em 2025 e para produzir gradualmente as baterias de estados sólidos em 2027.

A Gac Aion anunciou que alcançará a produção e a instalação em massa de baterias de estado sólido em 2026 e será instalado primeiro em sua marca Haobo de ponta;

A Chery Automobile planeja alcançar a instalação de bateria de estado sólido em 2026 e produção em massa em larga escala em 2027;

O SAIC Group anunciou que as baterias de estado sólido serão produzidas em massa e entregues em 2026, e os carros novos Zhiji equipados com baterias de estado sólido serão produzidos em massa e entregues em 2027.

Do ponto de vista geral da indústria, a cadeia da indústria de baterias de estado sólido é semelhante à das baterias líquidas, cobrindo o suprimento de matéria-prima a montante, materiais de bateria e fabricação no meio da corrente e áreas de aplicação a jusante. O upstream fornece principalmente recursos metálicos, como lítio, cobalto e níquel, além de materiais principais para eletrólitos de estado sólido. Possui forte dependência de recursos, altas barreiras técnicas e alta concentração de mercado. O Midstream é o link central da pesquisa e desenvolvimento de baterias e fabricação. A inovação tecnológica é a principal força motriz, mas enfrenta problemas de processos complexos e alta pressão de custo. Os campos de aplicação a jusante são amplos, cobrindo novos veículos energéticos, armazenamento de energia, eletrônicos de consumo e outros campos, com forte apoio político e enorme potencial de mercado.

Embora as baterias de estado sólido tenham amplas perspectivas, elas ainda enfrentam muitos desafios no caminho da produção em massa comercial.

No nível técnico, embora algum progresso tenha sido feito em eletrólitos sólidos, materiais de eletrodo positivos e negativos, etc., ainda existem alguns problemas científicos básicos e problemas técnicos de engenharia que precisam ser resolvidos com urgência. Por exemplo, como melhorar ainda mais a condutividade iônica de eletrólitos sólidos, melhorar sua compatibilidade com metal de lítio e altos materiais de eletrodo de energia específica e construir uma interface sólida compatível e estável. Diferentes rotas técnicas também têm suas próprias deficiências, como a baixa estabilidade química e a dificuldade da preparação de eletrólitos de sulfeto e a baixa condutividade iônica dos eletrólitos de óxido. Esses problemas requerem investimentos contínuos de P&D para superar.

O custo também é um fator importante que limita a aplicação em larga escala de baterias de estado sólido. Atualmente, o custo dos monômeros de bateria de íons de lítio líquido é de cerca de 0. 5 yuan por watt-hora, enquanto o custo material das baterias de estado sólido é superior a 2 yuan por watt-hora sem produção em massa em larga escala. O custo do material de uma bateria 100- quilowatt-hora sozinha excede 200, 000 yuan, que é muito maior que as baterias líquidas existentes. Tomando baterias de estado sólido de sulfeto como exemplo, o índio de metal raro necessário para sua produção é caro e a preparação dos precursores de sulfeto de lítio é difícil e dispendiosa, o que leva ao alto custo geral das baterias.

No nível do mercado, as baterias de estado sólido, como novos produtos, precisam de uma certa quantidade de tempo para obter reconhecimento e aceitação do mercado. Embora tenham vantagens em densidade e segurança de energia, ainda há espaço para melhorias em comparação com as baterias tradicionais de lítio em termos de vida útil do ciclo. Além disso, embora algumas empresas tenham alcançado uma entrega de amostras em pequenos lotes, elas ainda não formaram ordens estáveis ​​e há incerteza nas perspectivas reais de aplicativos.

Olhando para o futuro, as baterias de estado sólido devem desempenhar um papel importante em muitos campos. No campo de novos veículos energéticos, ele melhorará significativamente a faixa de cruzeiro, a velocidade de segurança e o carregamento do veículo, promoverá a nova indústria de veículos energéticos a um nível mais alto e acelerará a transformação de eletrificação da indústria automotiva.

No campo do armazenamento de energia, a alta densidade de energia e as longas características da vida útil das baterias de estado sólido permitem armazenar eletricidade com mais eficiência, equilibrar a oferta e demanda de eletricidade e fornecer um forte suporte para o acesso em larga escala e a operação estável da energia renovável.

No campo dos eletrônicos de consumo, as baterias de estado sólido podem tornar os dispositivos mais magros e duráveis ​​e melhorar a experiência do usuário.

Com o avanço contínuo da tecnologia e o desenvolvimento da indústria, o desempenho de baterias de estado sólido continuará melhorando, e o custo deverá diminuir gradualmente. O investimento contínuo e a pesquisa e desenvolvimento de muitas empresas, bem como a promoção da inovação colaborativa entre indústria, academia e pesquisa, acelerarão o avanço tecnológico e a comercialização de baterias de estado sólido. No nível da política, os governos de vários países estão constantemente aumentando seu apoio a novas tecnologias de energia, o que também criará um bom ambiente político para o desenvolvimento da indústria de baterias de estado sólido.

Como as principais alturas de comando da competição pela tecnologia de bateria de próxima geração, as baterias de estado sólido enfrentam vários desafios, como tecnologia, custo e mercado, mas têm um futuro brilhante. Na onda de transformação global de energia e progresso tecnológico, espera-se que as baterias de estado sólido se tornem a força central para promover a transformação de armazenamento de energia e inaugurar uma nova era de armazenamento de energia.