Las baterías de litio convencionales han sido hasta ahora las grandes responsables del avance y desarrollo de la movilidad eléctrica. Pero su capacidad está llegando al límite, sobre todo, en la velocidad de carga rápida, muy relacionada con las altas temperaturas y la seguridad. Los esfuerzos por encontrar una tecnología sustituta recorren diferentes caminos. Uno de los más transitados se basa en sustituir el electrolito líquido por el que viajan los iones para ir de un electrodo a otro por uno sólido (generalmente de material cerámico) que elimine los riesgos de incendio.
Los avances son prometedores. Como ejemplo de ello, fabricantes como NIO ya han anunciado la introducción de baterías de estado sólido en sus coches eléctricos, con las que serán capaces de alcanzar autonomía de hasta 1.000 km. Otras compañías, como Toyota, prometen avances significativos en este campo. Los japoneses esperan los primeros resultados para la segunda mitad de esta década, con una primera generación que ofrecerá 1.200 km y una segunda, ya al final de ella, que llegará hasta los 1.500 km de autonomía. Además, las especificaciones que se derivan de ella las hacen apropiadas para aplicaciones todavía más exigentes y sorprendentes.
Si bien son baterías muy prometedoras, todavía quedan desafíos en su desarrollo que deben resolverse antes de que pasen a ser un producto comercial y a generalizar su uso. Los principales hándicaps están relacionados con la capacidad de fabricarlas en gran volumen y de una manera económicamente rentable. Aun así, las ventajas de las baterías de estado sólido superan con creces sus desafíos, lo que facilita el acceso a las inversiones necesarias para su desarrollo.
Los proyectos de investigación académicos, las iniciativas de investigación patrocinadas por los gobiernos y la inversión por parte de los fabricantes para alcanzar su comercialización hacen que la industria de las baterías de estado sólido esté ganando impulso en esta década. Para demostrarlo, bastan siete ejemplos recientes de noticias relacionadas con esta tecnología que las acercan a la realidad.
Baterías de última generación de Toyota
Keiji Kaita, presidente del Centro de Desarrollo de Ingeniería Avanzada de Toyota, describió el libro de ruta de la compañía para esta década. Arrancará en 2026 con las baterías de iones de litio de próxima generación con las que duplicará la autonomía. El siguiente paso será una batería bipolar de fosfato de hierro y litio que llegará alrededor de 2026 o 2027, aumentando la densidad de potencia en un 20% y reduciendo los costes en un 40%. La siguiente etapa es una batería de iones de litio bipolar a base de níquel que mejorará el alcance en un 10% y que costará alrededor de un 10% menos.
En paralelo, Toyota desarrollará las baterías de electrolito sólido que empezarán a llegar en algún momento en la segunda mitad de esta década. Ofrecerán un 20% más de autonomía, hasta 1.200 km y su recarga no llevará más de 10 minutos. Finalmente, Toyota prevé una segunda generación de baterías sólidas después de 2028 que brindará un 50% más de alcance, lo que supone, en la práctica, llegar hasta los 1.500 km de autonomía.
NIO, baterías semisólidas para empezar
A principios de este mes, el fabricante chino de vehículos eléctricos NIO anunciaba que había comenzado a integrar las celdas de batería de estado semisólido de WeLion en su paquete de baterías de 150 kWh. Las celdas están formadas por un electrolito sólido, un ánodo de grafito y silicio y un cátodo con un contenido con un alto contenido en níquel. El paquete de baterías resultante de 150 kWh ofrece una densidad de energía de 360 Wh/kg.
Hasta ahora, la batería más grande que se podía configurar para el ET7, que será el modelo que tendrá el honor de estrenarla, era de 100 kWh. En sus 555 kg de peso alberga 96 celdas que arrojaba una densidad energética superior a la media, pero inferior a la de la batería semisólida, 180,2 Wh/kg. Por lo tanto, una de las mayores cualidades de esta batería es que pesa solo 20 kg más que la anterior, un 3,6%, para lograr un 50% más de capacidad.
Materiales para baterías sólidas en Ampcera
Gracias a la última inyección de capital que ha recibido, Ampcera, una startup con sede en Silicon Valley ha anunciado la ampliación de la producción de materiales críticos para baterías de estado sólido. Específicamente, serán sus electrolitos sólidos a base de sulfuro los que recibirán este impulso con el objetivo de satisfacer la creciente demanda del mercado.
Según la compañía, su tecnología de baterías y electrolitos de estado sólido lograrán alcanzar tasas de carga ultrarrápida de menos de 10 minutos y densidades de energía de 450 Wh/kg y 1400 Wh/l. Su objetivo de producción a corto plazo es alcanzar una capacidad de más de 12 toneladas anuales. A largo plazo, cuando el volumen de producción alcance su máximo, logrará reducir el costo promedio de los materiales a menos de 50 dólares por kilogramo.
Desarrollos del laboratorio de Berkeley
Un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley anunció recientemente varios avances significativos en el desarrollo de baterías de estado sólido. Un aspecto fundamental de este trabajo es el desarrollo de baterías que dependan menos de metales críticos insostenibles y difíciles de obtener en la cadena de suministro actual. Un nuevo tipo de electrolito sólido creado a partir de la mezcla de múltiples elementos metálicos podría dar como resultado un material más conductor.
Los investigadores también han descubierto que, al mezclar diferentes metales, es posible crear nuevas vías en el electrolito a través de las cuales los iones de litio pueden moverse rápidamente, lo que podría conducir también a un mayor rendimiento y capacidad.
Baterías sólidas sin dendritas
En este caso, son los investigadores del Instituto Indio de Ciencias (IISc) los que han anunciado recientemente un avance significativo en el desarrollo de baterías de estado sólido.
Los investigadores descubrieron que la aparición de vacíos microscópicos en uno de los electrodos del dispositivo es una razón clave para la formación de las dendritas, unos filamentos delgados que atraviesan la barrera separadora entre el cátodo y el ánodo. Las dendritas pueden causar cortocircuitos y, por lo tanto, fallos completos en las baterías, por lo que los científicos han estado trabajando durante años para llegar a la raíz del problema.
El equipo del IISc descubrió que la aparición de huecos microscópicos en uno de los electrodos del dispositivo es el causante principal de la formación de dendritas que son más notables cuando los vacíos aparecen al principio de la vida útil de la batería. Estos vacíos se pueden minimizar mediante el uso de una capa intermedia adecuada compuesta de ciertos metales.
El esquema es el de una batería sólida de metal de litio con una interfaz discontinua. Para abordar el problema, los investigadores agregaron una capa delgada de metales refractarios (metales resistentes al calor y al desgaste) a la superficie del electrolito. Al hacerlo, se logró retrasar la formación de estos vacíos, extendiendo la vida útil de la batería y elevando la velocidad de carga.
Azufre y silicio en baterías sólidas
Un estudio financiado por el Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania, se centra en el desarrollo de baterías de estado sólido de litio y azufre. El proyecto de investigación "MaSSiF—Material Innovations for Solid-State Sulphur-Silicon Batteries" está dedicado al desarrollo de una nueva generación de baterías de litio-azufre que son, al mismo tiempo, baterías livianas y rentables y ofrecen altas capacidades de almacenamiento.
Para abordar los problemas de los ánodos de litio altamente reactivos, el proyecto MaSSiF emplea silicio, ya que ha demostrado ser una alternativa prometedora, más estable e igualmente eficiente. El objetivo final del proyecto es producir celdas de batería que alcancen una densidad energética de 350 Wh/kg y una vida útil de más de 300 ciclos.
Baterías sólidas de fibra de carbono
El verano pasado, investigadores de la Universidad de Drexel diseñaron un sistema capaz de optimizar el sistema de gestión térmica de las baterías de los vehículos eléctricos.
Las baterías de estado sólido tienen problemas de sobrecalentamiento debido a que el electrolito provoca cuellos de botella en el movimiento de electrones que genera calor. Los investigadores se inspiraron en el cuerpo humano, modificando una herramienta de diseño personalizado para crear una red microvascular óptica que ayuda a optimizar el sistema de enfriamiento.
El resultado de la investigación es un sistema que equilibra numerosos factores basándose en el empleo de fibra de carbono. A partir de materiales compuestos, el sistema proporciona una red de enfriamiento microvascular que puede ayudar a evitar que los dispositivos se calienten demasiado, funcionen mal e incluso lleguen a incendiarse.
Por esta razón, los científicos y los fabricantes de automóviles han estado considerando el uso de baterías sólidas basadas en fibra de carbono, como una versión adelgazada de las baterías de iones de litio más grandes que se usan típicamente en los vehículos eléctricos, para reducir el peso de los vehículos. Según las estimaciones de los investigadores, reducir el peso de un automóvil en solo un 10 % puede aumentar la eficiencia y aumentar la autonomía entre un 6 y un 8%.
