Energía
Batería de Panal para Potencialmente Superar a las Baterías de Estado Sólido
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Baterías para Electrificar el Mundo
La tecnología de baterías está cambiando el mundo de innumerables maneras. El ejemplo más obvio de esto son los vehículos eléctricos, pero las baterías avanzadas también son la fuerza impulsora detrás de la creciente importancia de los drones y otras innovaciones futuristas como el maglev, los trenes Hyperloop y, incluso, propulsores masivos para conquistar el espacio.
También serán esenciales para volver verde nuestra red eléctrica al suavizar las curvas de producción de energía de los paneles solares por la noche y de los aerogeneradores en días sin viento.
Fuente: Statista
Por ahora, la tecnología de baterías ha sido llevada por la tecnología de iones de litio, un descubrimiento tan esencial que ganó el Premio Nobel de Química en 2019 (puedes leer más sobre la historia de su descubrimiento en nuestro artículo dedicado).
Sin embargo, las baterías de iones de litio tienen una limitación seria. Con el tiempo, picos de litio metálico, llamados dendritas, crecen un poco en cada ciclo de carga/descarga. Esto puede llevar a que las dendritas perforen los componentes de la batería, creando un cortocircuito. El peligro de dicho cortocircuito se ve agravado por el hecho de que las baterías de iones de litio utilizan electrolitos inflamables, lo que hace que los incendios de baterías sean muy calientes y difíciles de apagar.
Este es un problema que comparten en cierta medida todas las baterías basadas en litio, incluida la química LFP (fosfato de hierro y litio). Al menos hasta ahora.
Fuente: Nobel Prize
Durante mucho tiempo, se pensó que la alternativa era una química completamente diferente como el sodio-ión o un concepto de batería distinto, especialmente las baterías de estado sólido, que no utilizan electrolitos en absoluto.
Esto podría no ser cierto después de todo. El principal fabricante de baterías, CATL, ha anunciado que un nuevo diseño de “panal” puede crear baterías sin signos de degradación después de 5 años de uso intensivo.
Este diseño podría usarse para crear baterías tan densas en energía como las de estado sólido, mientras sigue utilizando mayormente la tecnología actual.
Panales para Alojar Más Energía.
Una razón clave por la que las baterías se degradan y forman dendritas es que el material se contrae y expande durante cada ciclo de carga/descarga cuando los iones de litio ingresan a la matriz del ánodo.
Gestionar la contracción/expansión también es uno de los problemas clave que ha obstaculizado el desarrollo de baterías de estado sólido. CATL afirma haber encontrado una solución al desarrollar una estructura compleja similar a un panal para su material de ánodo.
La idea no es del todo nueva, ya que fue propuesta previamente por investigadores, como por ejemplo en un artículo científico de 2020 titulado “Batería de iones de litio extensible basada en una nueva microestructura de panal”.
Fuente: Phys.org
La empresa anunció una nueva batería LFP (fosfato de hierro y litio) que puede añadir 600 km de autonomía en solo 10 minutos. En total, la autonomía podría superar los 1.000 km (600 millas), eliminando por completo la “ansiedad de autonomía” para los futuros propietarios de vehículos eléctricos.
En conjunto, esto significa que se puede cargar 1 km de autonomía cada segundo y una carga completa para 1.000 km tomará 16,6 minutos.
Nuevo Récord de Densidad
Esta impresionante autonomía es posible porque “la densidad energética del sistema de baterías Shenxing supera por primera vez el umbral de 200 Wh/kg, alcanzando 205 Wh/kg”.
Esto se logró gracias a una estructura de “panal” que esencialmente mantiene el material en el lugar correcto, evitando grietas y contracción durante la carga.
La empresa, por supuesto, es relativamente reservada respecto a los detalles de su proceso de fabricación, ya que la tecnología de baterías es quizás uno de los sectores más competitivos del mundo actualmente, notablemente con la próxima generación de baterías blade de BYD que se espera que alcance 190 Wh/kg.
Secretos de Fabricación
Sabemos que utilizaron algo llamado “gradación granular/encapsulación nanométrica”, que puede colocar cada partícula nanométrica dentro de la celda en el lugar correcto. También mencionaron un “recubrimiento conductor de iones de litio rápido” para acelerar la transmisión de energía entre los 2 polos de la batería.
Las fábricas de CATL están altamente automatizadas y pueden producir una de las nuevas baterías LFP cada 1 segundo en su fábrica insignia.
De un artículo científico de 2021, podemos aprender algunas de las ventajas clave de las formas de panal, notablemente baja densidad y altas propiedades de compresión y corte fuera del plano (resistencia de los materiales a fuerzas que actúan en paralelo pero en direcciones opuestas).
La disposición de grafeno en panal previene eficazmente la aglomeración de nanopartículas de silicio, mejora la conductividad eléctrica y disminuye la resistencia al transporte de Li+.
Aunque no está claro cómo lo hizo CATL, algunos de estos métodos son conocidos; por ejemplo, tratamientos térmicos y químicos sucesivos con carbono y ácido pueden crear una estructura nano-panal.
Fuente: Chemistry Europe
Fuente: Chemistry Europe
Otras Mejoras
En la tecnología de baterías, cada mejora cuenta ya que pueden combinarse entre sí para hacer la batería más densa. A su vez, esto reduce el volumen de batería necesario para una cierta autonomía. Esto reduce el peso total, aumentando aún más la autonomía y/o la cantidad de baterías necesarias.
Paralelamente a su estructura de panal, CATL también anunció algunas otras mejoras. Un factor que impulsa la nueva densidad de la batería de CATL es la tecnología optimizada de celda a cuerpo (CTB), que optimiza el espacio que la batería ocupa en el paquete. Esto llevó a una mejora de eficiencia de volumen del 7%.
Otras características son una caja de alto voltaje con ultra alta eficiencia de enfriamiento, reduciendo el consumo de energía del sistema de refrigeración. Un algoritmo de gestión de batería inteligente basado en IA también garantiza la seguridad de la batería.
Infraestructura de Carga
La infraestructura para cargar vehículos eléctricos ha sido un factor limitante durante mucho tiempo, principalmente porque se necesita una red tan densa como las estaciones de combustible existentes para evitar largas esperas y brechas en la red de carga en áreas remotas. Sin embargo, otro problema está surgiendo: la capacidad de estas estaciones de carga.
A medida que las baterías pueden manejar cargas de energía masivas y carga rápida, las propias estaciones de carga necesitan mayor capacidad. La carga rápida de 16 minutos para 1.000 km requiere un proceso de carga 4C, lo que a su vez requiere una potencia de carga masiva de 400 kW para una batería de 100 kWh.
Por esta razón, CATL anunció en ese momento que estaba ingresando al mercado de infraestructura de carga. Comenzará a construir la Red de Carga Súper Rápida Shenxing en China, colaborando con socios líderes de la industria como Star Charge, YKC y Shudao New Energy.
En conjunto, planea 600 puntos de servicio que cubran 271 ciudades a nivel de prefectura en 31 regiones a nivel provincial. La provisión de baterías, redes de carga y servicios como inspección y mantenimiento de baterías busca crear un ecosistema de bucle cerrado.
Más Allá de LFP y EV
Escala de Utilidad
CATL está cada vez más activo en el mercado de baterías a escala de utilidad, con aparentemente un renovado interés en usar química basada en litio, después de haber considerado el sodio-ión.
Lo más notable es que declaró que un proyecto piloto, usando el sistema de batería contenedorizada TENER, ha demostrado cero degradación en capacidad después de 5 años completos de operación.
Fuente: Sustainability Environment
Es probable que la estructura de panal se esté convirtiendo en una parte central de la arquitectura de baterías de CATL. Aunque no se declara explícitamente, probablemente sea a lo que CATL se refería al hablar de TENER:
Para realizar TENER, la empresa utilizó un SEI con canales iónicos biomiméticos y alta estabilidad, junto con tecnologías de electrolitos autoensamblados creando lo que llama un “sistema de almacenamiento de energía sin envejecimiento.
Basado en tecnología de punta y capacidades de fabricación extremas, hemos resuelto los desafíos de los metales de litio altamente activos […], lo que ayuda eficazmente a prevenir la inestabilidad térmica causada por la reacción de oxidación,”
Este rendimiento sin precedentes de TENER podría cambiar completamente la ecuación del almacenamiento de baterías fijas, ya que la ausencia de degradación implica un perfil de seguridad mucho mejorado. También cambia el cálculo de amortización al prometer un paquete de baterías mucho más duradero, un punto clave para las compañías de servicios públicos.
Así que otras químicas aún podrían ganar este mercado, como discutimos en “El Futuro del Almacenamiento de Energía – Tecnología de Baterías a Escala de Utilidad”. Pero también es posible que el litio termine ganando el mercado de servicios públicos, que es mucho más grande que incluso el gigantesco y creciente mercado de vehículos eléctricos.
Estado Condensado
También es posible que las estructuras de panal estén detrás de la batería de “estado condensado” revelada en 2023 y que se espera sea comercializada pronto.
Se afirma que estas baterías de litio (no LFP) presentan una densidad energética de 500 Wh/kg, o 2,5 veces mayor que las baterías LFP anunciadas recientemente.
No se ha anunciado un precio para este proyecto, por lo que la próxima línea de productos de CATL parece ser la siguiente:
- Estado condensado a 500 Wh/kg para vehículos eléctricos de alta gama e incluso, quizás, nuevos mercados como aviones impulsados por electricidad.
- LFP avanzado a 200 Wh/kg para vehículos eléctricos de precio medio, con una autonomía de 1.000 km cargable en 16 minutos con la infraestructura de carga adecuada.
- Sodio-ión para vehículos eléctricos de bajo costo con una autonomía menor.
No está claro dónde encajarían las baterías de estado sólido en esa combinación. Algunos inversores incluso podrían estar preocupados de que la primera generación de diseño de estado sólido pueda ser superada por la escala de producción de las baterías LFP avanzadas y de estado condensado de CATL.
Fuente: Nature
Invertir en Tecnologías Avanzadas de Baterías
Las baterías están en el centro de la tendencia de electrificación, que es una iniciativa multimillonaria de varios billones de dólares destinada a eliminar los combustibles fósiles de nuestras fuentes de energía.
Puedes invertir en empresas relacionadas con baterías a través de muchos corredores, y aquí, en securities.io, encontrarás nuestras recomendaciones de los mejores corredores en EE. UU., Canadá, Australia, Reino Unido, así como en muchos otros países.
Si no te interesa seleccionar empresas específicas de baterías, también puedes considerar ETFs de baterías 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 ofrecerán una exposición más diversificada para capitalizar el creciente sector de baterías.
Empresas Avanzadas de Baterías
1. CATL (300750.SZ)
Ya hablamos del liderazgo tecnológico de CATL. La empresa es la líder mundial en fabricación de baterías, produciendo más de la mitad del volumen global de baterías. Está presente en cada paso de la cadena de suministro de fabricación de baterías y es líder en tecnología de baterías.
Esto es cierto para las baterías de iones de litio, donde la empresa ha sido un líder establecido durante mucho tiempo. Ahora parece pequeña en comparación con el último anuncio.
CATL también ha anunciado en el pasado avances impresionantes en varios otros tipos de baterías:
- Una batería ultra‑larga vida de 12.000 ciclos para almacenamiento de energía a escala de utilidad, con 18.000 ciclos como objetivo a largo plazo.
- Una batería LFP (fosfato de hierro y litio) de 700 km que carga 400 km de autonomía en 10 minutos, ahora parece pequeña en comparación con el último anuncio.
- Una batería de 500 Wh/kg, que potencialmente permite la electrificación de aviones de pasajeros
- Producción masiva de baterías de sodio‑ión de 160 Wh/kg, con un objetivo de 200 Wh/kg.
Fuente: CATL
Fuente: CATL
CATL también ha invertido 3.25B en capacidades de reciclaje de baterías en China. CATL ha logrado notablemente una tasa de recuperación extraordinaria de 99,6 % para níquel, cobalto, manganeso y 91 % para litio.
Gracias a su escala, enfoque y logros en I+D, es probable que CATL esté a la vanguardia de la innovación, fabricación y reciclaje de baterías.
Esto lo convierte en un socio clave para los fabricantes de vehículos eléctricos, incluidos Tesla (TSLA ), NIO, Ford, Stellantis, etc., con Hyundai recientemente añadido al creciente grupo de alianzas estratégicas de CATL.
Además, las lecciones aprendidas en una química pueden aplicarse a otra, por lo que pronto podríamos ver baterías de sodio‑ión de tipo panal o estado condensado, por ejemplo. Las economías de escala al producir la mitad de las baterías del mundo también son probablemente aplicables a toda la empresa, independientemente de la tecnología específica utilizada en un producto individual.
2. BYD (BYDDY)
Un rival de larga data de Tesla en el mercado de vehículos eléctricos, BYD se ha convertido en un competidor serio no solo para Tesla sino para prácticamente todos los fabricantes de automóviles.
La empresa evolucionó desde su origen como proveedor de baterías de iones de litio para teléfonos hasta vender casi tantas EVs como Tesla en China (el mayor mercado de EV del mundo) y ser el EV más vendido en Tailandia, Suecia, Australia, Nueva Zelanda, Singapur, Israel y Brasil.
BYD es una gran parte de la razón por la que China se convirtió repentinamente en el mayor exportador de automóviles del mundo en 2023, superando a Japón. La agresiva expansión internacional de la empresa también se sustenta en nuevas fábricas, como en Hungría.
Y con el lanzamiento de automóviles de $10,000‑$12,000 como el Seagul, que utilizan baterías de sodio, podría abrirse un mercado completamente nuevo para los EVs de BYD.
Aún siendo un fabricante de baterías en su esencia, BYD es un serio rival de CATL en el mercado de baterías LFP (fosfato de hierro y litio), con una cuota de mercado del 41,1 % en China (comparado con el 33,9 % de CATL).
La “inundación” de EVs baratos producidos por BYD en los mercados europeos y estadounidenses probablemente será recibida con cierto nivel de proteccionismo (incluso por encima de los aranceles recientemente impuestos), lo que podría obstaculizar el crecimiento de BYD.
Pero al mismo tiempo, los EVs chinos baratos ya son un gran éxito en el resto del mundo, que no cuenta con incumbentes importantes de fabricantes domésticos que proteger, incluyendo toda Sudamérica, Rusia, África, Oriente Medio y el Sudeste Asiático.
Esto representa varios miles de millones de clientes potenciales para BYD, que viven en países ansiosos por lograr un equilibrio geopolítico y mantenerse en buenos términos tanto con Occidente como con China, por lo que es poco probable que se creen barreras proteccionistas demasiado fuertes.
E incluso en la UE o EE. UU., BYD podría seguir siendo competitivo, gracias a los precios mucho más altos de los fabricantes locales de EV en comparación con los precios en China, así como a la localización de la producción fuera de China para estos mercados, como, por ejemplo, en Europa del Este, México o Turquía.
