Avance en Baterías Acerca las Variantes de Estado Sólido un Paso Más a la Realidad

Baterías de Estado Sólido para Lograr la Dominación de los EV

While lithium-ion batteries have become the dominant solution for EV battery systems, they suffer from a few limitations.

Una de ellas es una densidad de energía todavía no tan alta, y otra es un problema de seguridad vinculado al crecimiento de dendritas que perforan la batería y al electrolito que a veces se incendia.

Fuente: Nobel Prize

Se espera que ambos problemas se alivien con las baterías de estado sólido, que eliminan la necesidad de electrolitos y el riesgo de dendritas.

Toyota prevé el uso de estas baterías de estado sólido para 2027, y en general, parece un candidato sólido para el futuro de la movilidad.

Aún persiste algún problema, particularmente con el electrolito sólido tipo granate, también conocido como Li7La3Zr2O12 o LLZO (ver más abajo).

Por lo tanto, es una buena noticia que cuatro investigadores de la Universidad McGill en Canadá anunciaron que crearon un nuevo diseño de LLZO que puede ofrecer una mayor cantidad de energía. Publicaron sus resultados en Cell Reports Physical Science en un artículo titulado “4.8-V baterías de litio‑metal basadas en granate de estado sólido con interfaz estable“.

Electrolito de Estado Sólido

LLZO

Generalmente se dice que las baterías de estado sólido no necesitan electrolitos. Esto es técnicamente correcto cuando se refiere al electrolito líquido que se usa comúnmente en las baterías de ion de litio.

Pero, por supuesto, cualquier batería aún necesita algún tipo de puente entre el ánodo y el cátodo para funcionar. Existen tres tipos de electrolitos de estado sólido (SEs): cerámicos, poliméricos y compuestos (CSEs).

Los electrolitos de estado sólido compuestos (CSEs) combinan SE polimérico con rellenos inorgánicos conductores iónicos como Li7La3Zr2O12 (LLZO) para facilitar el transporte de iones de litio.

Si bien este método es ideal para operaciones de alto voltaje en baterías densas, sufre de un pobre contacto con el electrodo, reduciendo la eficiencia general.

LLZO Poroso

Lo que los investigadores descubrieron es que el LLZO puede fabricarse como una membrana cerámica porosa, en lugar de la placa densa habitual. En términos más técnicos:

Aquí, diseñamos un electrolito sólido compuesto basado en granate, altamente conductor y amigable con la interfaz, que comprende una estructura porosa cúbica de Li6.1Al0.3La3Zr2O12 y poli‑fluoruro de vinilideno (PVDF) con una estructura continua tridimensional.

Visualmente, se traduce en una estructura 3D muy compleja llena de pequeños agujeros a escala microscópica:

Fuente: Cell

Esto crea una gran cantidad de contacto superficial para el ion de litio, al tiempo que ofrece una fuerte adherencia al electrodo.

Fuente: Cell

Más Estables y Duraderas

En general, las baterías de estado sólido son mucho más potentes y densas en energía que las baterías de ion de litio. Pero han sido difíciles de fabricar a escala para que puedan durar muchos ciclos de carga‑descarga sin perder capacidad.

Por lo tanto, los investigadores probaron las baterías para ver si la interfaz del electrodo que habían creado era tan resistente como esperaban.

Después de 200 ciclos, la estudiaron bajo un microscopio y no encontraron rastros de degradación, como grietas, delaminación, etc.

Fuente: Cell

En conjunto, el prototipo de batería demuestra una excelente resistencia, especialmente contra la formación de dendritas.

Las celdas simétricas Li‑Li basadas en el CSE cerámico pueden ciclar de forma estable durante 1.000 h a 0,1 y 0,5 mA cm⁻², lo que indica una excelente estabilidad electroquímica contra el metal de litio e incluso la deposición de Li⁺ (supresión de dendritas).

Mejor Perfil de Seguridad

La drástica reducción de la formación de dendritas, así como la ausencia de electrolitos inflamables, debería ayudar a incrementar significativamente la seguridad de las baterías de litio.

Debido a que el grosor del CSE cerámico es solo de 125 μm, esta tecnología también resulta muy competitiva para crear baterías de estado sólido con alta densidad energética.

También cabe señalar que, aunque no es simple, la técnica utilizada para crear el LLZO mejorado no requiere metales raros, maquinaria rara o pasos complejos fuera de lo habitual en la fabricación de baterías.

Fuente: Cell

En conjunto, este debería ser un paso importante para impulsar aún más las características de las baterías de estado sólido en todos los aspectos clave: estabilidad, seguridad, densidad energética y facilidad de producción.

¿Están Ganando las Baterías de Estado Sólido?

No se puede afirmar que las baterías de estado sólido se convertirán con certeza en el nuevo estándar para las baterías de vehículos eléctricos en los próximos años.

Las baterías de ion de litio podrían seguir compitiendo también. Esto está mayormente vinculado a mejoras en el diseño, con nanoporos similares que ayudan a reducir la formación de dendritas.

Especialmente, las baterías honeycomb desarrolladas por el líder mundial de fabricación de baterías CATL podrían alcanzar un perfil de seguridad y una densidad energética similares a algunas baterías de estado sólido.

En general, parece que una comprensión más profunda del material de la batería, especialmente a escala micro y nano, y el uso de nanoporos será el camino a seguir para seguir mejorando el rendimiento de las baterías y eliminar de forma definitiva el riesgo causado por la formación de dendritas.

Invertir en Tecnología de Baterías

Las baterías de litio ya han cambiado el mundo varias veces, desde permitir que la gente lleve electrónica avanzada a todas partes hasta impulsar automóviles únicamente con electricidad.

Podrían volver a hacerlo, o bien otros tipos de baterías, al permitir una red eléctrica 100 % renovable o la electrificación de aviones cuando alcancen una densidad energética suficientemente alta.

Puede invertir en empresas relacionadas con baterías a través de muchos corredores, y aquí, en securities.io, encontrará nuestras recomendaciones para los mejores corredores en EE. UU., Canadá, Australia, Reino Unido, así como en muchos otros países.

Si no está interesado en seleccionar empresas específicas de baterías, también puede considerar ETFs de biotecnología como Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), el Lithium & Battery Tech ETF (LIT) de Global X, o el WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF (WT ), que proporcionarán una exposición más diversificada para capitalizar el creciente sector de baterías.

Empresas de Estado Sólido

Esperada desde hace tiempo como una de las primeras empresas en llevar baterías de estado sólido al mercado, QuantumScape (QS ) ha estado a la vanguardia del desarrollo de esta tecnología.

Las baterías de QuantumScape utilizan litio metálico, baterías sin ánodo.

Las baterías sin ánodo, en cambio, almacenan los iones en un depósito electroquímico de metal alcalino directamente sobre el colector de corriente. Esto permite un mayor voltaje de celda, menor costo de celda y mayor densidad energética.

Fuente: QuantumScape

(también discutimos el concepto de baterías sin ánodo en el contexto de baterías de sodio en “Anode-Free Sodium Solid-State Batteries Could Reduce Reliance on the ‘Lithium Triangle’”).

Sin embargo, QuantumScape ha retrasado regularmente la fecha esperada de producción masiva de sus baterías, lo que ha atenuado el entusiasmo inicial de los inversores en la compañía.

Esto podría estar cambiando con algunos desarrollos clave en 2023 y 2024:

• Mejora en la consistencia y calidad de la producción.
• Mejora en el diseño del embalaje, incluyendo márgenes internos más estrechos, colectores de corriente más delgados y un marco más delgado.
• Envío de unidades de celda con alta carga de cátodo a socios OEM (fabricantes de equipos originales) automotrices.
• Anuncio del lanzamiento de QSE-5, el primer producto comercial de la compañía, con un cliente potencial de lanzamiento en el sector automotriz.

En conjunto, QuantumScape parece ser, de lejos, la empresa de estado sólido con la tecnología más madura, especialmente en lo que respecta a la durabilidad de la batería.

Fuente: QuantumScape

Acuerdo con Volkswagen

Más importante aún, la compañía está mostrando un progreso real en el establecimiento de una asociación con Volkswagen, el segundo mayor fabricante de automóviles del mundo.

En julio de 2024, QuantumScape firmó con Volkswagen un acuerdo para colaborar en la fabricación de celdas de batería basadas en el diseño QSE-5.

La licencia permitiría a PowerCo fabricar y vender baterías automotrices hasta 40 GWh anuales, ampliables con 40 GWh adicionales.

Se trata de una licencia de propiedad intelectual no exclusiva y con regalías, que permite a QuantumScape seguir vendiendo a cualquier otro cliente potencial.

Quizás más importante para aliviar la ansiedad de los inversores respecto a la compañía, también otorgará una tarifa inicial de regalías de 130 millones de dólares, acreditada contra futuras regalías, pagada por PowerCo, la filial de baterías de Volkswagen.

Esto le brinda a la compañía una pista de efectivo adicional de 18 meses en comparación con la guía anterior, extendiéndose hasta bien entrado 2028.

Debería ser más que suficiente tiempo para aumentar la producción y comenzar a registrar ingresos sólidos.

Así que, siempre que las baterías de QuantumScape funcionen adecuadamente, deberían poder encontrar su nicho en el mercado junto a baterías fabricadas por empresas más grandes como CATL, BYD y Panasonic.

Considerando que Volkswagen probablemente haya probado exhaustivamente sus propios prototipos de QuantumScape y estudiado el aumento de la producción, el reciente acuerdo parece ser un sólido respaldo a la tecnología de la compañía.

Fuente: QuantumScape

Además, la fecha límite paralela de 2027 de Toyota para la comercialización de baterías de estado sólido parece indicar que, después de muchos falsos inicios, la tecnología está alcanzando ahora un punto en el que es lo suficientemente madura.