Sostenibilidad

Cómo la tecnología de baterías de estado sólido de Princeton podría transformar el almacenamiento de energía

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La Batería Definitiva

Conforme las baterías se han convertido en la base de los trenes motrices de los vehículos eléctricos, su rendimiento y perfil de seguridad han mejorado. Hasta ahora, esto se ha logrado con variantes de baterías de litio, ya sea de ion‑litio (NMC de litio‑níquel‑manganeso y NCA de litio‑níquel‑cobalto‑aluminio) o de fosfato de hierro‑litio (LFP). Fue una tecnología transformadora que les valió a sus inventores el Premio Nobel de Química 2019 (sigue el enlace para la historia de la invención del ion‑litio).

Hasta ahora, se esperaba que estas baterías siguieran dominando el mercado de baterías, gracias a su densidad de energía extremadamente alta.

Fuente: S&P Global

Sin embargo, existe un límite a cuánta energía pueden almacenar las baterías clásicas de ion‑litio. Por eso los investigadores están explorando otras opciones, y una de las más prometedoras es la de baterías de estado sólido.

Se espera que las baterías de estado sólido sean más seguras, más densas en energía y más duraderas que las baterías tradicionales de ion‑litio. No obstante, son muy difíciles de fabricar de manera fiable a escala y a bajo costo, lo que ha ralentizado su adopción.

Esto podría cambiar, y nuevos conocimientos sobre por qué fallan las baterías de estado sólido están llegando de investigadores de la Universidad de Princeton, la Universidad de Purdue, la Universidad de Michigan y el Laboratorio Nacional Brookhaven.

Publicaron sus descubrimientos más recientes en dos artículos científicos en Advanced Energy Materials1 y ACS Energy Letters2, respectivamente, bajo los títulos “Cinética del Litio en Intercapa Porosa de Ag–C en Baterías de Estado Sólido sin Reservorio” y “Falla inducida por filamentos en baterías de estado sólido sin reservorio de litio”.

También analizaron el estado del arte de la ciencia de baterías respecto a las baterías sin ánodo y lo publicaron en Nature Materials3, bajo el título “Electroquimio‑mecánica de baterías de estado sólido sin ánodo”.

Batería de Estado Sólido sin Ánodo

La idea de las baterías de estado sólido es reemplazar el electrolito líquido del ion‑litio por una capa de metal sólido. Esta es la principal fuente de ganancia de eficiencia, ya que los electrolitos son pesados y voluminosos.

Esto también mejora el perfil de seguridad, ya que los solventes del electrolito suelen ser inflamables, creando incendios de batería raros pero espectaculares que han dado una mala reputación a los primeros vehículos eléctricos.

Otro paso que los investigadores han explorado recientemente es eliminar por completo la mitad de la batería. Las baterías están compuestas por un cátodo y un ánodo, cada uno con una carga eléctrica diferente.

Las baterías sin ánodo prescinden totalmente de la necesidad de un ánodo,

“En su lugar, los iones fluyen desde el cátodo positivo directamente al colector de corriente en el extremo opuesto de la batería. Los iones luego se depositan sobre el propio colector de corriente, formando una delgada capa metálica mientras la batería se carga.”

En su análisis de la tecnología sin ánodo actual, los investigadores de Princeton argumentan que el principal obstáculo para avanzar la tecnología es una comprensión insuficiente del efecto mecánico del ciclo de carga‑descarga, más que de las reacciones químicas.

Los mecanismos que rigen el ciclo de carga‑descarga de las baterías sin ánodo están mayormente controlados por fenómenos electro‑quimio‑mecánicos en interfaces sólido‑sólido, y existen diferencias mecanísticas importantes al compararlas con baterías convencionales con exceso de litio.

Desafíos de Estado Sólido

En una batería clásica, la conexión a los electrodos (ánodo y cátodo) es relativamente fácil, ya que el electrolito está en forma líquida. En una batería de estado sólido, el metal sólido debe mantenerse en perfecto contacto con el colector de corriente.

Si este contacto no es perfectamente uniforme, las áreas con buen contacto se convierten en puntos calientes, mientras que las áreas con contacto deficiente forman vacíos.

Para entender por qué ocurre esto, los investigadores deben comprender a la perfección el proceso complejo que sucede durante la carga y descarga de la batería. No es solo un fenómeno químico, sino también mecánico, con el material cambiando ligeramente de forma con el tiempo.

En el primer artículo, descubrieron que la presión puede jugar un papel importante en cómo reacciona el metal de estado sólido.

Problemas de Baja Presión

La microscopía electrónica de barrido revela cómo el litio aumenta su contacto superficial a medida que la presión aumenta. Por lo tanto, una presión demasiado baja no mejora lo suficiente el contacto desigual causado por esas irregularidades superficiales.

En última instancia, el recubrimiento desigual llevó a la formación de filamentos metálicos afilados que, como pequeñas agujas, podían perforar el electrolito sólido y causar un cortocircuito en la batería.

Problemas de Alta Presión

Si bien la alta presión puede crear un recubrimiento y despojo uniformes, no es una solución mágica.

Los investigadores descubrieron que forzaba el electrolito y el colector de corriente a juntarse tan intensamente que cualquier imperfección en cualquiera de los dos se magnificaba hasta que el estrés mecánico provocaba la formación de fracturas.

Usando tomografía de rayos X, los investigadores lograron mapear estas grietas que se forman bajo alta presión.

A medida que la presión de apilamiento aumenta de 2 a 10 MPa, el volumen total de grietas crece. Muchas grietas se extienden hasta el lado del electrodo contrario (Figuras 3b‑e y S10), y un solo dendrita de litio que alcance el electrodo contrario puede causar un cortocircuito.

En general, encontrar el punto óptimo de presión lo suficientemente baja pero con contacto eficiente será el objetivo final para la industria de baterías.

“El Santo Grial en este ámbito será descubrir cómo mantener el contacto sólido a bajas presiones, ya que fabricar un electrolito sin defectos es prácticamente imposible. Si queremos materializar el potencial de estas baterías, debemos resolver el problema del contacto.”
Prof. Kelsey Hatzell – Profesor asociado de ingeniería mecánica y aeroespacial

Mejor Platinado

Lograr un recubrimiento más uniforme es el tema del segundo artículo publicado por el equipo del Prof. Hatzell y sus colaboradores en otras universidades y laboratorios.

Descubrieron que una capa delgada de recubrimiento entre el colector de corriente y el electrolito facilita un mejor transporte iónico. Probaron múltiples diseños para este recubrimiento.

En última instancia, encontraron que la mejor opción eran intercapas hechas de nanopartículas de carbono y plata. La plata en estas intercapas formaba aleaciones con los iones durante la carga y descarga de la batería, permitiendo un recubrimiento y despojo uniformes del colector de corriente.

Sin embargo, los detalles de cómo se fabrican las partículas de plata importan mucho. Al usar nanopartículas más grandes de 200 nm, se formaron estructuras metálicas delgadas y desiguales en el colector de corriente. Esto redujo la capacidad y provocó fallas de la batería tras varios ciclos de carga.

“Solo unos pocos grupos han investigado los procesos reales que ocurren en estas intercapas. Entre otros hallazgos, demostramos que la estabilidad de estos sistemas está vinculada a la morfología del metal mientras se deposita y se retira del colector de corriente.”
Se Hwan Park – Investigador postdoctoral en la Universidad de Princeton

Las partículas de plata de 50 nm funcionaron mucho mejor, creando estructuras más densas y uniformes, lo que condujo a baterías con mayor estabilidad y mayor potencia.

“Estos hallazgos pueden orientar la estrategia para fabricar estas intercapas.

Al reducir el tamaño de las partículas de plata, podemos asegurarnos de obtener solo las ventajas de la plata en la intercapa, lo que, a su vez, podría permitirnos lograr buen contacto y un recubrimiento uniforme incluso a bajas presiones.

”
Se Hwan Park – Investigador postdoctoral en la Universidad de Princeton

Construyendo Baterías de Estado Sólido Mejores

Durante mucho tiempo, el concepto de batería de estado sólido luchó por salir del laboratorio y llegar al piso de fábrica, con producción a escala.

Esto está cambiando ahora, con países como China, Japón y Corea del Sur teniendo planes a corto plazo para llevar baterías de estado sólido al mercado.

Por ejemplo:

“El desafío será pasar de la investigación al mundo real en solo unos pocos años. Con suerte, el trabajo que estamos realizando ahora en MUSIC (Entendimiento Mecánico‑Químico de Conductores Iónicos Sólidos) podrá sustentar el desarrollo y despliegue de estas baterías de próxima generación a una escala significativamente grande.”
Prof. Kelsey Hatzell – Profesor asociado de ingeniería mecánica y aeroespacial

Invertir en Tecnologías Avanzadas de Baterías

Las baterías están en el centro de la tendencia de electrificación, un esfuerzo multimillonario de varios billones de dólares que busca eliminar los combustibles fósiles de nuestras fuentes de energía.

Puede invertir en compañías 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 muchos otros países.

Si no le interesa seleccionar compañías específicas de baterías, también puede 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 le proporcionarán una exposición más diversificada para capitalizar el crecimiento de la industria de baterías.

Empresa de Baterías de Estado Sólido

QuantumScape

QS Gráfico de precios

Desde su fundación en 2010, la californiana QuantumScape (QS ) ha sido una startup prominente en el espacio de baterías de estado sólido, notable por su incursión temprana en el campo y su independencia de los grandes fabricantes de baterías que también persiguen la tecnología de estado sólido, como CATL (300750.SZ), Samsung o LG Energy Solution (373220.KS).

Fuente: QuantumScape

Una característica única de las baterías QuantumScape, que en su momento se consideró revolucionaria, es que utilizan un diseño sin ánodo. Permite una carga rápida de ~15 minutos (10‑80 % a 45 °C) y el separador es no inflamable y no combustible.

Fuente: QuantumScape

Esto también coloca a las baterías QuantumScape en una liga propia en cuanto a densidad de energía y velocidad de carga, superando masivamente a líderes como Tesla (TSLA ) (tanto su propio diseño como los fabricados por CATL).

Fuente: QuantumScape

Sin embargo, estos rendimientos notables han sido obstaculizados regularmente por dificultades para escalar la producción. También obligó a la compañía a quemar su reserva de efectivo, lo que provocó dilución de los inversores anteriores y caída del precio de sus acciones.

Esto parece estar cambiando, desde el acuerdo de 2024 con PowerCo, la división de baterías del Grupo Volkswagen, para un acuerdo de licencia del diseño y producción masiva de baterías QuantumScape por parte de PowerCo.

Bajo el acuerdo de licencia no exclusivo, PowerCo puede fabricar hasta 40 GWh/año de baterías para vehículos eléctricos, con opción de expandir a 80 GWh/año.

El repentino aumento de escala de la producción de QuantumScape parece estar vinculado a Cobra, el equipo de separador de baterías de estado sólido de próxima generación de la compañía, un avance en la fabricación de cerámicas.

En general, se espera que Cobra se integre a la producción en 2025 y el primer vehículo eléctrico terminado con baterías QuantumScape debería producirse en 2026.

Fuente: QuantumScape

Esto podría ser un punto de inflexión para la compañía, pasando 16 años después de su fundación de una startup prometedora con IP interesante a generar ingresos crecientes gracias a una asociación con uno de los mayores fabricantes de automóviles del mundo.

Mientras tanto, los inversores aún deben esperar cierta volatilidad en el precio de la acción, pero con una luz al final del túnel de desarrollo del producto.

Últimas noticias sobre QuantumScape

Referencia del Estudio:

1. Se Hwan Park, et al. (2025) Falla inducida por filamentos en baterías de estado sólido sin reservorio de litio. ACS Energy Letters. 22 de febrero de 2025  https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsenergylett.5c00004 

2. Se Hwan Park, et al. (2024). Cinética del Litio en Intercapa Porosa de Ag–C en Baterías de Estado Sólido sin Reservorio.Advanced Energy Materials. 19 de diciembre de 2024 https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202405129 

3. Stephanie Elizabeth Sandoval, et al. (2025). Electroquimio‑mecánica de baterías de estado sólido sin ánodo.Nature Materials. 02 de enero de 2025 https://www.nature.com/articles/s41563-024-02055-z

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Jonathan es un ex investigador bioquímico que trabajó en análisis genético y ensayos clínicos. Ahora es analista de valores y escritor financiero con un enfoque en innovación, ciclos de mercado y geopolítica en su publicación 'The Eurasian Century'.