A tecnologia da bateria^(Battery) percorreu um longo caminho ao longo dos anos. Gadgets como drones e smartphones seriam impraticáveis ​​sem tecnologia avançada de baterias modernas. 

No entanto, as baterias sempre poderiam ser melhores! 

As baterias de estado sólido parecem ser o próximo grande avanço e os produtos que as utilizam estão chegando. Isso significa que agora é o momento perfeito para se familiarizar com o que são e por que são importantes.

O que significa “Estado Sólido”?

Seja uma bateria de carro de chumbo-ácido, descartáveis ​​alcalinos ou baterias de polímero de lítio^{(lithium polymer batteries)} em um telefone, todos eles usam um eletrólito líquido. O eletrólito é uma substância condutora que conecta os dois terminais internos da bateria. Os elétrons fluem através do eletrólito, permitindo que a bateria acumule uma carga elétrica ou a descarregue.

Uma bateria de estado sólido usa um eletrólito sólido, em vez do eletrólito líquido tradicional. Essa é a única diferença fundamental entre as duas tecnologias de bateria. Parece bastante simples, mas engenheiros e cientistas lutam há décadas para encontrar um material sólido que possa atuar como eletrólito.

O que há de difícil^(Hard) nas baterias de estado sólido^{(Solid State)} ?

Vários materiais, como cerâmicas e metais de lítio, oferecem potencial como eletrólitos de estado sólido. O problema é que a abordagem cerâmica resultou em baixo desempenho da bateria. Os metais de lítio são promissores, mas têm uma falha fatal. À medida que a bateria é carregada e descarregada, “dendritos” metálicos crescem através do eletrólito. A bateria pode entrar em curto-circuito e se transformar em perigo.

Encontrar soluções práticas e economicamente viáveis ​​para essas questões tem sido a missão de diversas empresas e equipes de pesquisa ao longo dos últimos anos. Agora esse trabalho está prestes a dar frutos. 

Por que passar por todo esse problema? Vejamos os benefícios que as baterias de estado sólido prometem sobre as tradicionais.

Segurança

As baterias armazenam grandes quantidades de energia e sempre existe o perigo de que essa energia seja liberada de forma descontrolada. Quando isso acontece, pode significar fogo, explosões e outros resultados indesejados. As baterias de estado sólido, supondo que o problema dos dendritos seja resolvido, prometem ser mais seguros e estáveis. Por um lado, eles não são inflamáveis, então incêndios em baterias devem ser uma coisa do passado.

Isso não é importante apenas para veículos elétricos, como carros e drones, mas também para eletrônicos pessoais, como smartphones e laptops. Muitas pessoas são feridas todos os anos por incêndios nas baterias de seus aparelhos eletrônicos. Como resultado, casas inteiras foram queimadas!

Velocidade de recarga

As baterias de lítio modernas podem carregar a velocidades impressionantes^{(charge at impressive speeds)} , mas ainda levam muito tempo para serem carregadas. Há um limite para a quantidade de energia que você pode despejar em uma bateria de íon de lítio tradicional antes que tudo fique de lado. As baterias de estado sólido prometem carregar até seis vezes mais rápido do que as baterias que usamos atualmente. Isso significa carregar seu telefone de vazio a cheio em cinco minutos ou charging an electric car to 80% in 15 minutos .

Capacidade e tamanho de energia

As^(Lithium) baterias de íon de lítio atualmente têm a maior densidade de energia de qualquer tipo de bateria vendida ao público. No entanto, ainda é muitas vezes menos denso que a gasolina. Embora as baterias de estado sólido não sejam equivalentes às de gás, elas prometem mais que dobrar a densidade de energia por volume. 

Em outras palavras, se você trocou a bateria do seu telefone usando um modelo de estado sólido, teoricamente ele poderia funcionar duas vezes mais sem aumentar de tamanho. Este é mais um grande ponto de venda para veículos elétricos, que não são tão populares quanto poderiam ser, graças à ansiedade de alcance.

Vida útil e durabilidade

A maioria das baterias de íon de lítio atuais começa a se degradar após cerca de 500 ciclos completos de carga e descarga. Depois desse ponto, a bateria começa a perder sua capacidade^{(battery begins to lose its capacity)} até que mal consegue segurar uma carga. Nos smartphones, que agora tendem a ter baterias seladas, isso impõe um limite rígido à vida útil do dispositivo. As baterias de estado sólido prometem aumentar bastante esse limite. Até cinco vezes. 

Assim, onde uma bateria de telefone de uso diário típico pode começar a se degradar após dois ou três anos, uma bateria de estado sólido permaneceria em sua capacidade nominal por até quinze anos^{(fifteen years)} . Em carros elétricos, onde a substituição de baterias é extremamente cara, isso pode ter um efeito dramático no custo de propriedade dessa classe de veículos. 

Pontos fracos da bateria de estado sólido

Se tudo isso parece bom demais para ser verdade, há algumas ressalvas para a tecnologia. Alguns deles ainda precisam ser resolvidos antes que a adoção generalizada da tecnologia de baterias de estado sólido seja alcançada.

• O custo^{(Cost )} é talvez o maior inimigo. Equipes de pesquisa^(Research) e empresas iniciantes estão trabalhando duro para tornar o processo de produção dessas baterias mais barato e escalável. Algumas empresas afirmam estar próximas, mas não saberemos o quão bem-sucedidas elas foram até vermos os preços reais dos produtos com essas baterias.

• Essas baterias também sofrem com baixas temperaturas^{(struggle at low temperatures)} . Por isso, soluções que envolvam isolá-los ou mantê-los em boa temperatura operacional fazem parte do desafio.

Quando você pode comprar baterias de estado sólido ?^{(Solid State)}

Existem algumas empresas como Solid Power e QuantumScape , que afirmam estar à beira de aplicações comerciais de baterias de estado sólido. 

A Toyota^(Toyota) planeja ter veículos elétricos com bateria de estado sólido à venda já em 2021 . Tanto a Solid Power^{(Solid Power)} quanto a QuantumScape^{(QuantumScape)} estão visando o lançamento de baterias para veículos em 2022 e 2024, respectivamente. Isso significa que nos próximos dois anos poderemos estar bem no início de uma revolução das baterias. 

Isso é antes mesmo de entrarmos nas possibilidades que vêm do uso do grafeno. Este material maravilhoso promete baterias ainda melhores, sejam elas eletrólitos líquidos ou sólidos. Fazer com que o grafeno jogue bola iludiu cientistas e engenheiros por mais tempo do que o esperado, mas você já pode comprar um powerbank de grafeno híbrido^{(hybrid graphene powerbank)} agora. Verdadeiramente^(Truly) , o futuro está aqui.

What Are Solid State Batteries and Why Are They Important?

Battery technology has come a long way oνer the years. Gadgets like drones and smartphones would be impractical without advanced modern battery technology. 

However, batteries could always be better! 

Solid state batteries seem to be the next big advancement and products that use them are around the corner. This means now is the perfect time to familiarize yourself with what they are and why they’re important.

What Does “Solid State” Mean?

Whether it’s a lead acid car battery, alkaline disposables, or lithium polymer batteries in a phone, they all use a liquid electrolyte. The electrolyte is a conductive substance that connects the two internal terminals of the battery. Electrons flow through the electrolyte, allowing the battery to either build up an electrical charge or to discharge it.

A solid state battery uses a solid electrolyte, instead of the traditional liquid electrolyte. That’s the only fundamental difference between the two battery technologies. It sounds simple enough, but engineers and scientists have been struggling for decades to come up with a solid material that can act as an electrolyte.

What’s Hard About Solid State Batteries?

Various materials, such as ceramics and lithium metals, offer potential as solid state electrolytes. The problem is that the ceramic approach has resulted in poor battery performance. Lithium metals are promising, but have a fatal flaw. As the battery is charged and discharged, metal “dendrites” grow through the electrolyte. The battery can short-circuit and turn into a hazard.

Finding practical and economically viable solutions to these issues has been the mission of several companies and research teams over the past few years. Now that work is about to pay off. 

Why go through all this trouble? Let’s look at the benefits that solid state batteries promise over traditional ones.

Safety

Batteries store large amounts of energy and there’s always a danger that this energy can be released in an uncontrolled way. When that happens, it can mean fire, explosions and other unwanted outcomes. Solid state batteries, assuming the dendrite issue is resolved, promise to be safer and more stable. For one thing, they aren’t flammable, so battery fires should be a thing of the past.

This is not only important for electric vehicles such as cars and drones, but also for personal electronics such as smartphones and laptops. Many people are injured every year by battery fires in their electronic gadgets. Entire houses have been burned to the ground as a result!

Recharge Speed

Modern lithium batteries can charge at impressive speeds, but they still take a long time to fill up. There’s a limit to how much energy you can pour into a traditional lithium ion battery before it all goes sideways. Solid state batteries promise to charge as much as six times faster than the batteries we currently use. That means charging up your phone from empty to full in five minutes or charging an electric car to 80% in 15.

Energy Capacity and Size

Lithium ion batteries currently have the highest energy density of any battery type sold to the public. Yet it’s still many times less dense than gasoline. While solid state batteries don’t bring batteries up to par with gas, it does promise to more than double the energy density per volume. 

In other words, if you changed the battery in your phone using a solid state model, it could theoretically run twice as long without increasing in size. This is yet another big selling point for electric vehicles, which aren’t as popular as they could be, thanks to range anxiety.

Lifespan and Durability

Most current lithium ion batteries start to degrade after about 500 full charge-discharge cycles. After that point the battery begins to lose its capacity until it can barely hold a charge at all. In smartphones, which now tend to have sealed batteries, this puts a hard limit on device lifespan. Solid state batteries promise to greatly increase that limit. As much as five times. 

So, where a typical daily-use phone battery might start to degrade after two to three years, a solid state battery would remain at its rated capacity for up to fifteen years. In electric cars, where the replacement of batteries is extremely costly, that could have a dramatic effect on the cost of ownership for this class of vehicles. 

Solid State Battery Weaknesses

If this all sounds too good to be true, there are a few caveats to the technology. Some of these still need to be solved before widespread adoption of solid state battery technology is achieved.

• Cost is perhaps the greatest foe. Research teams and startup companies are working hard on making the production process for these batteries cheaper and scalable. Some companies claim to be close, but we won’t know how successful they’ve been until we see the actual prices on products with these batteries.

• These batteries also struggle at low temperatures. Therefore, solutions that involve insulating them or keeping them at a good operational temperature are part of the challenge.

When Can You Buy Solid State Batteries?

There are a few companies like Solid Power and QuantumScape, which claim to be at the cusp of commercial solid state battery applications. 

Toyota plans to have solid state battery electric vehicles for sale as early as 2021. Both Solid Power and QuantumScape are aiming for a rollout of batteries for vehicles in 2022 and 2024 respectively.  This means that in the next couple of years we could be right at the start of a battery revolution. 

That’s before we even get into the possibilities that come from using graphene. This wonder material promises even better batteries, whether they have liquid or solid electrolytes in them. Getting graphene to play ball has eluded scientists and engineers for longer than expected, but you can already buy a hybrid graphene powerbank right now. Truly, the future is here.

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