Las superbaterías transformarán el rendimiento de los vehículos eléctricos

Jul 14, 2023

Cuando se les pregunta qué es lo que más esperan de un coche eléctrico, muchos conductores mencionarían tres cosas: una larga autonomía, un corto tiempo de carga y un precio competitivo con un vehículo equipado de manera similar que tenga un motor de combustión interna. Para ayudar a lograr esos objetivos, los fabricantes de automóviles han estado buscando formas de reemplazar las tradicionales baterías de iones de litio (Li-ion) que alimentan la mayoría de los vehículos eléctricos (EV) modernos por versiones más avanzadas de “estado sólido”. Estos nuevos tipos de superbaterías han prometido durante mucho tiempo una carga más rápida y una autonomía de conducción mucho mayor. Finalmente, después de años de problemas técnicos, los esfuerzos para fabricarlas están dando frutos, y las primeras baterías de iones de litio de estado sólido entrarán en producción en los próximos años.

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Toyota, el mayor fabricante de automóviles del mundo, comenzó a estudiar baterías de estado sólido en 2012. A lo largo de los años, incluso ha tenido la intención de mostrar prototipos funcionales, aunque poco ha aparecido. Sin embargo, la empresa anunció recientemente que había logrado un “avance tecnológico” y planea comenzar a fabricar una batería de estado sólido a partir de 2027. Toyota afirma que su nueva batería proporcionará un vehículo eléctrico con una autonomía de alrededor de 1200 km (746 millas). , que es aproximadamente el doble que muchos modelos existentes y se puede recargar en unos diez minutos.

Toyota no está solo. Otros productores que desarrollan baterías de iones de litio de estado sólido están promocionando cifras de rendimiento similares. Nissan, por ejemplo, está construyendo una planta piloto en Yokohama que comenzará a fabricar versiones de prueba el próximo año. BMW planea construir una planta similar en Alemania en asociación con Solid Power, un desarrollador de baterías con sede en Colorado. QuantumScape, una startup de Silicon Valley, ha comenzado a enviar prototipos de baterías de estado sólido a Volkswagen, su principal patrocinador.

Quizás no sea sorprendente que el desarrollo de una batería de estado sólido haya llevado tanto tiempo. Conseguir que un nuevo tipo de batería funcione en un laboratorio es una cosa, pero ampliarlo para que se puedan producir millones en una fábrica es una tarea difícil. Aunque se inventaron a finales de los años 1970, las baterías de iones de litio no se comercializaron plenamente hasta principios de los años 1990, al principio para dispositivos electrónicos portátiles, como ordenadores portátiles y teléfonos móviles, y luego como versiones más grandes que podían utilizarse para alimentar una batería. Nueva generación de vehículos eléctricos.

Los coches eléctricos existen desde los albores del automovilismo. De hecho, Clara Ford prefería con diferencia su Detroit Electric de 1914 a los vehículos de gasolina fabricados por su marido, Henry. Pero estos primeros vehículos eléctricos, y otros que aparecieron en los años siguientes, funcionaban en gran medida con docenas de baterías pesadas de plomo-ácido, que eran caras, proporcionaban un alcance limitado y, a menudo, un progreso perezoso. Ligera y capaz de almacenar una gran carga, la batería de iones de litio redujo los costos y aumentó la autonomía (ver gráfico 1), lo que permitió que la electrificación del transporte comenzara en serio. Las baterías de iones de litio de estado sólido podrían provocar otra transformación.

Inicialmente, los fabricantes de automóviles se sintieron atraídos por las celdas de estado sólido para mejorar la seguridad porque, por muy poderosas que sean, las celdas tradicionales de iones de litio conllevan un riesgo. Esto se debe a que contienen un electrolito líquido que normalmente está elaborado a partir de disolventes orgánicos y son extremadamente inflamables. Por lo tanto, si una batería de iones de litio se daña, lo que puede ocurrir en un accidente, o si se sobrecalienta durante la recarga, puede explotar y provocar llamas. Esto se evita utilizando un electrolito sólido no inflamable. Los electrolitos sólidos se pueden fabricar a partir de una variedad de productos químicos, incluidos polímeros y cerámicas. Pero incluso Toyota, el maestro de la producción en masa, inicialmente encontró difícil lograr que las celdas de estado sólido funcionaran de manera eficiente durante un largo período de tiempo.

Por sí solo, un electrolito sólido no necesariamente mejora el rendimiento de una batería. Pero sí permite, por ejemplo, rediseñar una batería de iones de litio para que pueda hacerse aún más pequeña y liviana, y así almacenar más energía en menos espacio. También permite a los ingenieros ampliar la gama de materiales que pueden utilizar para producir una batería de iones de litio y modificar su funcionamiento.

A pesar de su naturaleza ardiente, los electrolitos se utilizan en forma líquida por una buena razón. Los iones son partículas cargadas y se crean en uno de los electrodos de la batería, el cátodo, cuando la celda está cargada, lo que provoca que los electrones sean despojados de los átomos de litio (ver gráfico 2). El electrolito proporciona un medio a través del cual los iones migran a un segundo electrodo, el ánodo. Mientras lo hacen, los iones pasan a través de un separador poroso que mantiene los electrodos separados para evitar un cortocircuito. Mientras tanto, los electrones creados en el cátodo viajan hacia el ánodo a lo largo de los cables del circuito de carga externo. Los iones y los electrones se reúnen en el ánodo donde se almacenan. Cuando la batería se descarga, el proceso se invierte: los electrones del circuito alimentan un dispositivo, que en el caso de un vehículo eléctrico es su motor eléctrico.

Para que todo esto funcione de manera eficiente, los iones deben moverse entre el electrolito y los electrodos con facilidad. Los electrodos están recubiertos con diversos materiales, en forma de capas de partículas diminutas. Como el electrolito líquido en una batería de iones de litio tradicional puede fluir hacia estas capas y sumergir las partículas, proporciona una gran superficie a través de la cual pueden pasar los iones. Un electrolito sólido no puede fluir por todos los rincones y grietas, por lo que es necesario comprimirlo con fuerza contra los electrodos para hacer un buen contacto. Sin embargo, hacer esto en la construcción de la batería puede dañar los electrodos. Resolver el llamado problema de conductividad es uno de los principales desafíos técnicos en la fabricación de baterías de estado sólido, afirma Mathias Miedreich, director de Umicore, una empresa con sede en Bruselas que suministra materiales para baterías.

A pesar de sus problemas iniciales, el año pasado los fabricantes de automóviles japoneses lograron grandes avances en la fabricación de baterías de iones de litio de estado sólido a escala, dice Miedreich. Cree que, habiendo estado un poco rezagados en el lanzamiento de vehículos eléctricos, planean utilizar estas nuevas baterías para superar a sus competidores. Tal vez, pero la carrera para construir una superbatería está lejos de estar ganada, sobre todo porque los contendientes se presentan en muchas formas diferentes.

Algunas baterías de estado sólido ya están en el mercado. Por ejemplo, Blue Solutions, una empresa francesa que forma parte del gigante Grupo Bolloré, produce uno que contiene un polímero como electrolito. Como esto requiere una temperatura de funcionamiento elevada, la batería es más adecuada para vehículos que, una vez calentada la batería, permanecen en uso constante. De ahí que se utilice para impulsar autobuses eléctricos.

Otros son una especie de paso intermedio, ya que todavía contienen pequeñas cantidades de un electrolito líquido para ayudar con la conductividad. Muchos de los fabricantes chinos de baterías que dominan el mercado están trabajando en versiones semisólidas. Contemporary Amperex Technology (CATL), una empresa china que fabrica más de un tercio de las baterías para vehículos eléctricos del mundo, medida por su capacidad total, dice que podría comenzar a finales de este año la producción de una versión semisólida que llama batería "condensada". La empresa afirma que tendrá un alto nivel de seguridad y una gran capacidad de almacenamiento.

La capacidad de una batería se puede medir por su energía específica, que es la cantidad de energía que se puede almacenar en peso. Según CATL, su batería condensada podrá almacenar hasta 500 vatios-hora por kilogramo (Wh/kg). Las baterías de iones de litio con electrolitos líquidos de mayor rendimiento disponibles actualmente en el mercado tienden a alcanzar un máximo de alrededor de 300 Wh/kg. Las baterías completamente de estado sólido podrían alcanzar los 600 Wh/kg o más. Además de mejorar el rendimiento de los vehículos eléctricos en la carretera, baterías de tal potencia y ligereza también ampliarán en gran medida el alcance de los pequeños taxis aéreos de despegue y aterrizaje vertical que están a punto de obtener la certificación de aeronavegabilidad.

Sin embargo, la capacidad es sólo una característica de una batería. La rapidez con la que puede entregar su energía, cuánto durará y cuánto costará son igualmente importantes. Pero resolver estos problemas implica hacer concesiones. Aumentar la cantidad de energía que se puede almacenar, por ejemplo, probablemente aumente los costos si se requiere más litio. Y la carga rápida regular podría acortar la vida útil de la batería. El truco para conseguir el equilibrio adecuado depende de los materiales de batería que se elijan.

Comience con los cátodos, el componente más caro de una batería de iones de litio. En teoría, las baterías de estado sólido son bastante independientes sobre qué tipo utilizar. Las dos variedades más comunes de cátodos son los llamados NMC, que contienen recubrimientos de litio junto con diversas proporciones de níquel, manganeso y cobalto; y LFP, elaborados a partir de una mezcla de fosfato de hierro y litio. Al evitar el uso de costosos níquel y cobalto, los LFP están ganando popularidad. Son una especialidad china particular. Pero al tener una capacidad de almacenamiento menor que los NMC, suelen utilizarse en vehículos que no requieren un alto nivel de rendimiento.

Con cientos de laboratorios en todo el mundo trabajando en nuevos materiales para baterías, es probable que aparezcan otros tipos de cátodos. Umicore, por ejemplo, se ha asociado con Idemitsu Kosan, un productor japonés de electrolitos, para desarrollar un tipo de material llamado catolito, que combina químicos catódicos con un electrolito sólido para formar una sola capa. Si funciona, la construcción de la batería sería aún más sencilla. Los científicos también están trabajando para utilizar sodio en lugar de litio como fuente de iones en una batería. El sodio es abundante y barato, aunque el litio, como metal más ligero de todos, todavía tendría ventaja en algunas aplicaciones de transporte.

En cuanto a los ánodos, también se están produciendo cambios. En la actualidad, la mayoría de los ánodos están hechos de grafito, una forma pura de carbono extraída de un puñado de minas, principalmente en Mozambique o China, o producida sintéticamente en plantas petroquímicas utilizando procesos intensivos en carbono. Debido a que un electrolito sólido reduce el riesgo de reacciones adversas, en su lugar se pueden utilizar materiales como el silicio y ciertos metales, particularmente el litio en su forma metálica. Estos pueden almacenar más energía en menos espacio que el grafito, lo que permite que las baterías sean más pequeñas y livianas. Se ahorra espacio adicional porque un electrolito sólido también puede funcionar como separador.

Algunas baterías de estado sólido estarán “libres de ánodos” (también se muestra en el cuadro 2). Esta es la dirección tomada por QuantumScape. Utiliza una cerámica patentada que actúa como separador y electrolito y que se coloca entre un cátodo y una lámina metálica. Cuando la batería está cargada, los iones de litio migran a través del electrolito sólido y se acumulan en la lámina, cubriéndola efectivamente con litio para formar un ánodo de trabajo. Cuando la batería se descarga, los iones regresan y el ánodo se contrae.

Formar un ánodo de esta manera significa que la batería se expande y se contrae. Esto también ocurre en las celdas tradicionales de iones de litio, aproximadamente un 4% en comparación con alrededor del 15% en una celda QuantumScape, dice Tim Holme, cofundador de la empresa. Este movimiento se acomoda en el embalaje de las celdas, que se apilan en capas para formar los módulos que forman una batería EV completa.

Además de un largo alcance y un tiempo de carga rápido, QuantumScape dice que su batería también tendrá un "ciclo de vida" extendido. Esta es una medida de cuántas veces se puede cargar y descargar antes de que la capacidad de la batería se degrade por debajo del 90% y su nivel de rendimiento comience a caer. La batería QuantumScape debería funcionar durante al menos 800 ciclos, afirma el Dr. Holme. Por lo tanto, si cada carga proporcionara sólo una autonomía media de unos 500 km, aún así le daría a un vehículo eléctrico una autonomía de unos 400.000 km, lo cual es bueno para cualquier vehículo. Al ser cerámico, el separador de la batería también resiste la formación de dendritas, añade el Dr. Holme. Se trata de microestructuras metálicas en forma de dedos que pueden crecer dentro de un electrolito líquido y provocar un cortocircuito. Las baterías semisólidas, incluida la variedad condensada, aún podrían ser vulnerables a esto.

No se sabrá realmente qué tan buenas serán estas nuevas baterías hasta que lleguen a los automóviles y se puedan probar las afirmaciones de los fabricantes. La autonomía anunciada de los vehículos eléctricos existentes puede resultar inalcanzable en condiciones de conducción reales. Las primeras baterías semisólidas deberían aparecer en los automóviles en 2025-26, dice Xiaoxi He de la firma de analistas IDTechEx. Ella espera que las primeras versiones totalmente sólidas, como las que están desarrollando Toyota y otros, aparezcan en 2028.

Al principio, las cifras serán pequeñas a medida que las empresas se embarquen en una producción de prueba antes de invertir miles de millones de dólares en convertir las “gigafábricas” existentes para fabricar nuevas baterías o construir otras nuevas. Eso significa que las baterías serán caras en las primeras aplicaciones en vehículos de lujo y de alto rendimiento, añade el Dr. He. Por lo tanto, podría pasar hasta bien entrada la década de 2030 antes de que las baterías de estado sólido más baratas estén ampliamente disponibles en los automóviles familiares.

En gran medida, el éxito de la producción en masa a la hora de reducir los costos dependerá de cómo se desarrollen los precios de las materias primas durante la próxima década. "Las baterías de estado sólido consumirán significativamente más litio", dice Fabian Duffner, de Porsche Consulting, que opera como una parte independiente del fabricante alemán de autos deportivos. Dependiendo de cómo se fabriquen, estima que las baterías que contienen cátodos y ánodos de mayor capacidad necesitarán entre un 40% y un 100% más de litio. Al mismo tiempo, los productores también necesitarán litio adicional a medida que desplacen cada vez más su producción de vehículos con motor de combustión a vehículos eléctricos.

A veces llamado “oro blanco”, los precios del litio han estado en una montaña rusa. Gran parte del mercado del litio está dominado por China. Hacia finales del año pasado, los precios del carbonato de litio para baterías se dispararon a alrededor de 600.000 yuanes (unos 80.000 dólares) por tonelada, pero desde entonces han vuelto a caer a alrededor de 250.000 yuanes, aproximadamente el doble de lo que eran hace dos años. Los precios del níquel también han sido volátiles.

En un mercado tan voluble, las empresas necesitan asegurar sus líneas de suministro, añade el Dr. Duffner. Eso será difícil porque, aunque se están desarrollando algunas minas nuevas de litio y otros materiales para baterías, particularmente fuera de China, pueden pasar una década o más antes de que alcancen su plena producción.

Como resultado, el Dr. Duffner espera que muchos de los grandes fabricantes de automóviles se integren más verticalmente al asociarse con productores de baterías y empresas de materiales. En Japón, Toyota, Nissan y Honda ya se han unido con Panasonic y GS Yuasa, un par de fabricantes de baterías, para formar un consorcio para desarrollar baterías de estado sólido.

Los materiales reciclados ayudarán un poco. La mayoría de las operaciones ya reciclan baterías de productos electrónicos de consumo y se ampliarán para hacer frente a lo que será un número creciente de baterías a medida que los vehículos eléctricos más antiguos lleguen al final del camino. Los métodos están muy avanzados: una vez aisladas las celdas de la batería, se muelen y se pueden recuperar y purificar materiales como litio, cobalto, níquel y manganeso.

Redwood Materials, un reciclador de baterías con sede en Nevada, utiliza algunos de los materiales que recupera para fabricar nuevos cátodos y ánodos. Northvolt, un fabricante de baterías sueco con varias gigafábricas en Europa, espera obtener para finales de la década aproximadamente la mitad de los materiales que necesita a partir de baterías recicladas.

Entonces, de una forma u otra, las baterías de iones de litio de estado sólido están llegando. Parecen lo suficientemente prometedores como para permitir finalmente que los vehículos eléctricos compitan con vehículos que utilizan motores de combustión interna sucios y anticuados en cuanto a autonomía, rendimiento y comodidad. En la actualidad, las baterías estándar de iones de litio representan alrededor del 40% del coste de un vehículo eléctrico. Esa proporción tendrá que disminuir si se quiere que las superbaterías de estado sólido permitan que los autos eléctricos compitan también en precio. ■

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Este artículo apareció en la sección Ciencia y tecnología de la edición impresa con el título "La carrera por construir una superbatería".

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