La consultora especialista en negocios tecnológicos IDTechEx ha publicado un informe en el que explica los cinco caminos que están tomando los científicos para mejorar las baterías de litio. Los materiales, el diseño y los sistemas de producción que hoy en día se emplean tanto en las baterías ternarias ricas en níquel (NCM y NCMA) como en las de litio ferrofosfato (LFP) están alcanzando los límites de rendimiento teórico lo que parece indicar que necesitan ser sustituidas por otras tecnologías. Sin embargo la ciencia todavía cuenta con recursos para lograr ir un poco más allá con este tipo de baterías.
El informe "Advanced Li-ion and Beyond Lithium Batteries 2022-2032: Technologies, Players, Trends, Markets (Baterías avanzadas de iones de litio y más allá de litio 2022-2032: tecnologías, actores, tendencias, mercados)" ha sido elaborado por dos expertos en tecnologías de almacenamiento de energía, de IDTechEX, Alex Holland y Xiaoxi He. "En general, se considera que la iteración actual de las baterías de iones de litio, que se basan en ánodos de grafito, electrolitos líquidos y materiales de cátodo como NCM y LFP, está llegando a sus límites de rendimiento. Sin embargo, desde los materiales de las celdas hasta los diseños de las baterías, existen todavía varias rutas que pueden conducir a mejoras adicionales en el rendimiento y el coste", según los coautores, cuyos cinco hallazgos clave se resumen aquí.
Del grafito al silicio en los ánodos de las baterías
En las baterías de iones de litio actuales, el grafito se emplea para formar la arquitectura de los ánodos de las celdas creando una estructura sobre la que se depositan los ioenes de litio. Los ánodos de silicio prometen mejoras significativas en la densidad de energía y el rendimiento ofreciendo una interesante alternativa a los ánodos de grafito tradicionales.
El silicio se ha utilizado en pequeñas cantidades, inferiores al 5 % en peso, en el ánodo de las baterías de litio, pero está resultando difícil ir más allá de su uso como aditivo debido a la expansión de volumen inherente y los problemas resultantes de su estabilidad y ciclo de vida. Sin embargo, la tecnología del ánodo de silicio ha ido mejorando durante los últimos 10 a 15 años, lo que permite que las celdas utilicen entre un 5 y un 100 % de silicio en el ánodo.
Las inversiones de la industria realizadas en 2022 demuestran su interés en esta tecnología. Nexeon recaudó 200 millones de dólares para financiar la licencia para SKC, Amprius decidió cotizar en bolsa, Group14 Technologies logró 400 millones de dólares en su última ronda de financiación y Posco adquirió Tera Technos.
Entre los logros tecnológicos, Amprius ha entregado celdas comerciales con una densidad de 450 Wh/kg para su uso en satélites, mientras que el dispositivo portátil de fitness Whoop 4.0 lanzado en septiembre de 2021 utiliza la tecnología de ánodo de silicio de Sila Nano. Combinados, estos desarrollos apuntan a una maduración del mercado de los ánodos de silicio que son utilizados en una variedad de aplicaciones cada vez mayor. IDTechEx pronostica un crecimiento considerable en la adopción de este material en los ánodos, aunque el grafito seguirá siendo el material de ánodo dominante hasta la década de 2030.
Nuevos métodos de síntesis para los materiales del cátodo
Es probable que las próximas baterías de iones de litio utilicen un conjunto de materiales de cátodo similar al que se utiliza comercialmente en la actualidad. Las mejoras en los materiales del cátodo generalmente serán incrementales. En cambio, el mayor cambio en la tecnología e innovación de los cátodos podría provenir de cómo se sintetizan.
Las técnicas actuales requieren altas temperaturas durante períodos de tiempo relativamente largos (días) y también utilizan grandes volúmenes de reactivo y agua, lo que genera altos costes de fabricación y un gran impacto ambiental. Nano One Materials y 6K Energy (parte de 6K Inc) son, por ejemplo, dos de las empresas que buscan comercializar nuevas formas de sintetizar materiales catódicos.
Nano One Materials utiliza un método de 'un recipiente' basado en una solución para producir materiales de cátodo revestidos. La empresa tiene una sociedad conjunta con el fabricante de cátodos Pulead y firmó un acuerdo de desarrollo con BASF a principios de 2022. 6K Energy utiliza un reactor de plasma de microondas para producir sus materiales para el cátodo. En él también pueden sintetizar materiales de ánodo de silicio y electrolitos sólidos. 6K Inc cerró una ronda de financiación por 102 millones de dólares en mayo de 2022 y ha firmado acuerdos de desarrollo con el productor de litio Albemarle y la empresa emergente de cátodos Our Next Energy.
Tanto Nano One Materials como 6K Energy utilizan procesos de producción optimizados y prometedores para mejorar los rendimientos y los costes de fabricación reduciendo además los impactos ambientales.
Electrolitos sólidos y otras formulaciones
Si bien los electrolitos sólidos son los que captan la mayor atención mediática, el uso de nuevos aditivos y formulaciones para los electrolitos líquidos puede ofrecer mejoras incrementales continuas en las baterías de litio.
New Dominion Enterprises está desarrollando aditivos electrolíticos y solventes basados en fosfacenos y compuestos de fósforo y nitrógeno para ayudar a mejorar la seguridad y el rendimiento. Específicamente, sus materiales aditivos de electrolitos pueden mejorar la estabilidad térmica, reducir la presión de vapor y mejorar la formación de SEI. A largo plazo, la compañía tiene como objetivo reemplazar completamente el solvente orgánico usado convencionalmente con su sistema de electrolitos, con mejoras potencialmente significativas en la seguridad.
Sin embargo, para muchos fabricantes de vehículos eléctricos, el santo grial tecnológico de las baterías siguen siendo los electrolitos sólidos. Las mejoras que pueden ofrecer en cuanto al rendimiento y la seguridad (al no ser inflamables) son significativas. Además, los electrolitos sólidos también ofrecen la posibilidad de utilizar ánodos de metal de litio, lo que podría llevar a lograr densidades de energía más allá de 1.000 Wh/l.
Se espera que el mercado de baterías de estado sólido crezca por encima de los 8.000 millones de dólares en 2031, aunque los electrolitos líquidos seguirán siendo una parte importante del mercado. Los desafíos relacionados con la estabilidad, el ciclo de vida, la capacidad de fabricación e incluso la seguridad de los sistemas de electrolitos sólidos significan que la carrera continuara entre los diferentes sistemas de electrolitos.
El empaquetamiento: el espacio no es infinito
En el caso de los vehículos eléctricos, la arquitectura y el diseño del paquete de baterías son claves para mejorar el rendimiento. Varios son ya los fabricantes que han anunciado baterías diseñadas bajo la tecnología CTP (cell to pack) que eliminan los materiales asociados con las carcasas de los módulos. Así se logra optimizar la eficiencia del empaquetamiento, ya que se puede colocar una mayor cantidad de material activo, lo que finalmente ayuda a mejorar la densidad de energía y la integración de la batería en el vehículo.
BYD ha anunciado que es capaz de mejorar la utilización del espacio para llegar a utilizar entre el 40 y el 60 %. El mayor fabricante de baterías de baterías a nivel mundial, la china CATL, afirma que con su último diseño CTP 3.0 puede lograr una utilización del 72 % del volumen. A principios de 2022, CATL anunció que sus paquetes LFP, que no contienen cobalto, podrían alcanzar 160 Wh/kg y 290 Wh/l, lo que comienza a ser competitivo con las baterías NCM (níquel-cobalto-manganeso).
Maximizar la densidad de energía puede ayudar a mitigar la principal desventaja de las celdas LFP, más económicas, ofreciendo un camino para reducir el precio de las baterías manteniendo su capacidad energética y por lo tanto ofreciendo grandes autonomías a los vehículos eléctricos.
BMS cada vez más inteligentes
Las mejoras en los sistemas de administración de baterías (BMS) pueden proporcionar un camino diferente para mejorar el rendimiento de una batería sin los desafíos asociados con el desarrollo de materiales. Qnovo destaca cómo su software y análisis BMS pueden ayudar a mejorar simultáneamente la seguridad, el ciclo de vida y el tiempo de carga y aumentar la capacidad utilizable de una batería. La empresa lo logra mediante una combinación de datos de uso de la batería y mediciones de impedancia de la celda que informan los modelos físicos de las celdas de iones de litio y que a su vez se utilizan para optimizar los protocolos de operación y carga.
Si bien los desarrollos químicos de las celdas requieren un compromiso entre las características clave de rendimiento de una batería, la densidad de energía, el ciclo de vida, la carga rápida y la seguridad, las mejoras en el BMS podrían ofrecer mejoras en todos ellos.
En última instancia, existen diferentes rutas para mejorar el rendimiento y el coste de las baterías, algunas de ellas no mencionadas aquí. Si bien es posible que algunos desarrollos solo ofrezcan beneficios incrementales, su combinación permitirá que continúe aumentando el rendimiento de las baterías de iones de litio.
