Energía
Nueva Estrategia de Interfaz Mejora el Flujo de Iones en Baterías de Estado Sólido
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Las baterías de iones de litio se han convertido en el estándar global. Hoy, es el tipo de batería más popular y ampliamente utilizado, con su tamaño de mercado estimado en alrededor de $65 mil millones en 2023.
Pero, por supuesto, no están exentas de desventajas, incluyendo sensibilidad a la temperatura, problemas de seguridad y vida útil limitada.
Para hacer que las baterías de iones de litio sean más seguras y potentes, los electrolitos líquidos están siendo reemplazados por sólidos para crear baterías de estado sólido, cuyo mercado se proyecta que crecerá a una tasa compuesta anual del 41,6 % entre 2024 y 2032.
Un Cambio Hacia Baterías de Estado Sólido (SSBs)
En una batería, el electrolito es el material que permite que los iones se desplacen a través del dispositivo para generar energía.
Así, una batería que tiene un electrolito sólido es una batería de estado sólido, que ofrece mayor densidad energética, carga más rápida, resistencia a la temperatura, mayor duración y mayor seguridad.
A pesar de su promesa, las SSB también enfrentan varios desafíos, incluyendo la fabricación compleja y posibles problemas de seguridad relacionados con la formación de dendritas. Además, pueden experimentar delaminación interfacial, lo que limita su rendimiento y vida útil. En conjunto, estas limitaciones están obstaculizando la adopción generalizada de las SSB.
Para superar estos desafíos, investigadores y empresas de todo el mundo están trabajando activamente en avanzar la tecnología.
Por ejemplo, Samsung SDI está apuntando a una densidad energética de 900 Wh/L mediante su electrolito sólido patentado y tecnologías sin ánodo, un 40 % más alta que sus baterías actuales. targeting
Chinese giants CATL and BYD are also making significant strides in SSB tech, with the former working on a hybrid “condensed state battery” and the latter researching oxide- and sulfide-based solid electrolytes, both targeting an energy density of 500 Wh/kg.
En la UE, Volkswagen se ha asociado con QuantumScape (QS ). Su unidad de baterías, PowerCo, también ha asegurado un acuerdo de licencia para producir en masa celdas de estado sólido con una capacidad inicial de 40 GWh anuales, un 30 % más de autonomía y carga ultrarrápida.
Nissan planea iniciar la producción en masa de sus primeras celdas de estado sólido antes de que termine la década, mientras que LG apunta a 2030 para la comercialización. Solid Power (SLDP ), por su parte, se ha asociado con Ford (F ), BMW y SK Innovation para acelerar la comercialización de la tecnología de baterías totalmente de estado sólido, con un enfoque en electrolitos sólidos basados en sulfuros para vehículos eléctricos.
A principios de este mes, la empresa automotriz multinacional alemana Mercedes‑Benz Group AG (antes Daimler) presentó el primer coche impulsado por una SSB de litio‑metal en la carretera. El prototipo SSB se integró en un EQS a finales del año pasado.
La SSB en un vehículo basado en EQS puede aumentar la autonomía en un 25 %, señaló la compañía.
Así que, aunque está en progreso, la comercialización de las SSB todavía está a varios años de distancia. Mientras tanto, un equipo de investigadores de la Universidad de Texas en Dallas ha descubierto una forma de mejorar el rendimiento de las baterías de estado sólido.
Mejorando la Conductividad Iónica en SSB
Publicado en ACS Energy Letters, el último estudio detalla el descubrimiento de una conductividad iónica mejorada1 al mezclar un electrolito sólido con otro sólido.
Este aumento de la conductividad iónica es causado por la formación de una capa de carga espacial en la interfaz, proporcionando una nueva estrategia para desarrollar conductores iónicos rápidos para SSB. La ‘capa de carga espacial’, como resultado de la mezcla de pequeñas partículas entre dos electrolitos sólidos, es una acumulación de carga eléctrica en la interfaz entre los dos materiales.
Lo que ocurre es que cuando los materiales de electrolito sólido, que están separados, hacen contacto físico, se forma una capa en su frontera. En la frontera, las partículas cargadas se acumulan debido a diferencias en el potencial químico de cada material.
Luego, la capa ayuda a crear vías que facilitan que estas partículas cargadas o iones se desplacen a través de la interfaz. Según el coautor correspondiente del estudio, el Dr. Laisuo Su, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales en la Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science:
“Imagina mezclar dos ingredientes en una receta y obtener inesperadamente un resultado que es mejor que cualquiera de los dos por separado.”
Añadió:
“Este efecto impulsó el movimiento de iones más allá de lo que cualquiera de los dos materiales podría lograr por sí solo,” añadió.
La investigación del Dr. Su se centra en desarrollar materiales revolucionarios para dispositivos de energía renovable en el ámbito de baterías recargables. Además de tener un interés especial en los electrolitos, tanto sólidos como líquidos, así como en la interfaz electrolito‑electrodo, donde ocurren reacciones cruciales, está trabajando en la construcción de herramientas avanzadas para monitorear reacciones químicas y electroquímicas que ocurren en equipos de energía renovable.
“Este descubrimiento sugiere una nueva forma de diseñar mejores electrolitos sólidos eligiendo cuidadosamente materiales que interactúan de manera que mejoren el movimiento iónico, lo que podría conducir a baterías de estado sólido con mejor rendimiento.”
– Dr. Su
Como parte de la iniciativa Batteries and Energy to Advance Commercialization and National Security (BEACONS) de UTD, que recibió una financiación de 30 millones de dólares del Departamento de Defensa al lanzarse en 2023, el proyecto tiene como objetivo desarrollar y comercializar nuevas tecnologías de baterías y procesos de fabricación, mejorar la disponibilidad nacional de materias primas críticas y capacitar a trabajadores de alta calidad para la industria.
Según el coautor correspondiente del estudio, el Dr. Kyeongjae Cho, quien también es profesor de ciencia e ingeniería de materiales y director de BEACONS:
“La tecnología de baterías de estado sólido es parte de nuestra investigación de químicas de baterías de próxima generación en el centro BEACONS, y se espera que permita sistemas de baterías avanzados para mejorar el rendimiento de drones en aplicaciones de defensa.”
Las baterías de iones de litio actualmente usadas en productos de consumo incluyen principalmente electrolitos líquidos, que son inflamables y por lo tanto presentan problemas de seguridad.
Con las baterías de iones de litio convencionales alcanzando su límite teórico de cuánta energía pueden almacenar, las SSB, según Su, muestran promesa de generar y almacenar más del doble de energía que las baterías con electrolitos líquidos. Y como no son inflamables, también son más seguras.
Sin embargo, mover iones a través de materiales sólidos es difícil, lo que crea desafíos en el desarrollo de baterías de estado sólido.
Así, los investigadores estudiaron el rendimiento de dos prometidos compuestos de electrolito sólido (SSE). Esto incluye cloruro de zirconio de litio (Li2ZrCl6) y cloruro de itrio de litio (Li3YCl6).
Los investigadores propusieron entonces una teoría de por qué mezclar estos aumentó la actividad iónica. “La interfaz formó canales únicos para el transporte de iones,” dijo Su.
De cara al futuro, los investigadores continuarán estudiando cómo la composición y la estructura de la interfaz resultan en una mayor conductividad iónica.
Abordando el Problema de las Dendritas en SSBs
La necesidad de baterías con mayores densidades energéticas ha llevado a otro equipo de investigadores a trabajar en el crítico problema de las dendritas. Originalmente, se pensaba que las dendritas no podían penetrar el electrolito sólido. Pero, al igual que otras arquitecturas de baterías, también son un problema para todas las baterías de estado sólido.
Un equipo de ingenieros y científicos de materiales de varias instituciones en China ha descubierto2 que la fatiga metálica en el ánodo es una de las grandes razones por las que las SSB fallan con el tiempo. También contribuye a la degradación de la interfaz y al crecimiento de dendritas.
El grupo utilizó microscopía electrónica de barrido y simulaciones de campo de fase para estudiar el crecimiento de dendritas en SSB de litio.
Descubrieron que durante la carga y recarga, la constante hinchazón y contracción del litio provocaba fatiga metálica en el ánodo, lo que favorecía el crecimiento de dendritas. Más específicamente, la expansión y contracción constante conducían al desarrollo de microvacíos y grietas en el ánodo, lo que provocaba el crecimiento de dendritas y la degradación, incluso a bajas densidades.
En cuanto a qué es una dendrita, es una estructura similar a un árbol que se forma debido a reacciones químicas en la superficie del ánodo.
Los ánodos en una batería pasan por procesos de plating y stripping de litio durante los ciclos de carga y descarga. En este proceso reversible, los iones de litio se depositan en la superficie del ánodo (plating) y se eliminan (stripping) de ella durante las operaciones normales de ciclo (carga y descarga) de la batería.
Sin embargo, una deposición no uniforme de iones de litio en la superficie del ánodo tiende a producir sitios que atraen más iones, lo que lleva a una cadena de iones de litio que crece más. La estructura similar a un árbol entonces penetra la batería, descomponiendo su estructura y provocando un cortocircuito.
En las SSB, hay una gran área de contacto entre el metal de litio y el electrolito sólido. Y si aparecen vacíos en el electrolito sólido, el metal de litio los llena rápidamente, provocando una formación seria de dendritas y una propagación profunda de grietas a través del electrolito.
Así, Haegyeom Kim, científico de materiales del Lawrence Berkeley National Laboratory en California, publicó3 una solución a este problema.
Su estudio detalla el uso de una capa doble de amortiguación de estaño‑carbono en el colector de corriente para evitar la formación de dendritas en baterías de litio sin ánodo (ASSB). En esta arquitectura SSB, el ánodo no se construye previamente, sino que se forma durante el primer ciclo de carga en el colector de corriente por los iones de litio del cátodo, reduciendo complejidad, peso y costo.
Un artículo previo de investigadores de Samsung mostró la posibilidad de usar capas de plata y carbono como capa de amortiguación en baterías de litio, poseyendo un ciclo de plating y stripping de litio muy estable y uniforme.
Al estudiar por qué esto era efectivo, el equipo de Kim descubrió que la plata es muy litófila, y los iones de litio se alinean uniformemente sobre su capa, incluso cuando hay altas concentraciones de litio, lo que hace que el plating de litio sea muy homogéneo siempre que la deposición de plata sea uniforme.
Comprender el papel del carbono aquí, sin embargo, sentó las bases para el nuevo trabajo, donde el equipo seleccionó estaño, que funciona mejor que la costosa plata.
Para averiguar el papel del carbono, el equipo diseñó múltiples pruebas y utilizó cuatro diferentes medio‑celdas de batería. Una con una capa de amortiguación de estaño, una sin capa de amortiguación, una con estaño sobre la capa de amortiguación de carbono, y una con carbono sobre la capa de amortiguación de estaño.
Las capas se depositaron sobre un colector de corriente de acero inoxidable, y la capa de amortiguación con el carbono sobre el estaño mostró el mejor rendimiento.
“Nos dimos cuenta de que el estaño actúa como una capa litófila al igual que la plata, por lo que la posición del estaño es importante, ya que allí ocurre el plating.”
– Kim
Se descubrió que la capa de carbono es litófila, lo que significa que los iones de litio tienen dificultades para moverse a través de esta capa, prefiriendo ir en sentido contrario. Colocarla sobre el estaño evitó la migración de litio desde la capa de plating recién desarrollada en el estaño y detuvo la penetración de dendritas en el electrolito.
“No se trata solo de las propiedades intrínsecas de un solo material. Cómo los combinamos es tan importante, ya que eso puede cambiar significativamente las propiedades de la capa de barrera.”
El equipo ahora está trabajando en nuevas capas de amortiguación con mejor rendimiento, probando en ciclos más largos y avanzando hacia sistemas más prácticos.
Eliminando los Vacíos para Mejorar la Longevidad
Otro avance más que acerca a las SSB un paso más a aplicaciones del mundo real se logró al comprender por qué la adición de pequeñas cantidades de metales como el magnesio al ánodo mejora el rendimiento de la batería.
Aunque esto se hace con frecuencia, no se sabía exactamente por qué hasta ahora.
Para ello, investigadores de la Universidad de Houston observaron todo lo que ocurre en las SSB usando microscopía electrónica de barrido operando para entender por qué se degradan y qué se podría hacer para ralentizar ese proceso.
«Esta investigación resuelve un misterio de larga data sobre por qué las baterías de estado sólido a veces fallan», dijo la autora correspondiente Yan Yao, profesora distinguida Hugh Roy y Lillie Cranz Cullen de Ingeniería Eléctrica y de Computación y investigadora principal en el Texas Center for Superconductivity.
Su descubrimiento, según Yao, permite que las SSB funcionen bajo menor presión. Esto puede reducir potencialmente la necesidad de una carcasa externa voluminosa y mejorar la seguridad general.discovery4
Lo que se ha aprendido es que con el tiempo, pequeños vacíos se forman dentro de la batería creando una gran brecha, lo que provoca la falla de la batería. Realizar varios ensayos reveló que simplemente añadiendo una pequeña cantidad de elementos como el magnesio (Mg) se pueden cerrar estos espacios y ayudar a que la batería continúe funcionando.
«Con solo un pequeño ajuste a la química de la batería, podemos mejorar drásticamente su rendimiento, especialmente bajo condiciones prácticas como baja presión.»
– Primera autora Lihong Zhao, profesora asistente de Ingeniería Eléctrica y de Computación en UH
Las SSB necesitan alta presión externa de apilamiento para mantenerse intactas mientras operan, pero como señaló Zhao, «ajustando cuidadosamente la química de la batería, podemos reducir significativamente la presión necesaria para mantenerla estable».
Mientras tanto, investigadores de la Universidad de Missouri usaron microscopía electrónica de transmisión de barrido cuatridimensional (4D STEM) para evaluar la estructura atómica de la batería.
Descubrieron que cuando el electrolito sólido toca el cátodo, reacciona y forma una capa de interfase de 100 nm de espesor, que bloquea el paso de iones de litio y electrones, limitando así el rendimiento de la batería.
El equipo de investigación ahora planea probar si los materiales de película delgada formados por un proceso de deposición en fase vapor (oMLD) pueden proporcionar un recubrimiento protector «lo suficientemente delgado para prevenir reacciones» entre el electrolito sólido y los materiales del cátodo, «pero no tan grueso que bloquee el flujo de iones de litio».
Uso de IA para Ayudar la Investigación y Desarrollo de SSB
Con la inteligencia artificial transformando industrias, tiene sentido que los investigadores también utilicen su ayuda para resolver el problema de la investigación y desarrollo de SSB, que son intensivos en recursos y consumen mucho tiempo.
El complejo entorno químico de las SSB realmente dificulta la predicción del rendimiento y retrasa la industrialización a gran escala.
En un estudio5 de la semana pasada, ingenieros de la Universidad Soochow y la Universidad de Nanjing, China, señalaron el potencial de la IA para permitir una criba eficiente de materiales y la predicción del rendimiento. El último progreso en el uso de algoritmos de aprendizaje automático (ML), observaron, puede usarse para explorar extensas bases de datos de materiales y acelerar el descubrimiento de materiales de alto rendimiento adecuados para SSB.
El rápido desarrollo de la tecnología IA, según el estudio, brinda nuevas ideas para abordar los principales desafíos de las SSB, que son la interfaz del ánodo, la interfaz del cátodo, la síntesis y descubrimiento de electrolitos, y la fabricación de baterías.
Investigadores de Skoltech y del Instituto AIRI también aprovecharon redes neuronales y las encontraron capaces de identificar materiales prometedores para el electrolito sólido así como sus recubrimientos protectores.
«Demostramos que las redes neuronales gráficas pueden identificar nuevos materiales de baterías de estado sólido con alta movilidad iónica y hacerlo órdenes de magnitud más rápido que los métodos tradicionales de química cuántica», dijo el autor principal, Artem Dembitskiy.
Usando el enfoque acelerado por aprendizaje automático, los investigadores identificaron los compuestos Li3AlF6 y Li2ZnCl4 como materiales de recubrimiento prometedores para el conductor superiónico de litio Li10GeP2S12.
Invertir en la tecnología SSB
Cuando se trata de invertir en una empresa que avanza activamente la tecnología de baterías de estado sólido, Toyota ofrece un potencial sólido.
El fabricante japonés se ha asociado con Panasonic para formar una empresa conjunta llamada Prime Planet Energy & Solutions, centrada en electrolitos sólidos basados en sulfuros. La compañía planea iniciar la producción el próximo año, con producción en masa no esperada hasta 2030, apuntando a una autonomía de 1 000 km, carga rápida de 10 minutos y una meta de capacidad anual de 9 GWh.
También se ha asociado con Idemitsu Kosan para producir en masa electrolitos basados en sulfuros entre 2027–2028.
Toyota Motor Corp (TM )
La relación de Toyota con las baterías de estado sólido comenzó hace cerca de dos décadas con el establecimiento de una División de Investigación de Baterías, cuyo propósito es desarrollar baterías de próxima generación para vehículos híbridos y eléctricos.
En cuanto al desempeño del mercado de Toyota Motors, ha sido bastante fuerte, con sus acciones cotizando actualmente a $183.60. Aunque han bajado un 4,87 % en lo que va del año, han subido más del 17 % desde su mínimo de abril. Apenas el año pasado, en marzo, el precio de sus acciones superó los $255 alcanzando un nuevo máximo.
TM Gráfico de precios
Con una capitalización de mercado de $292,4 mil millones, el EPS (TTM) de Toyota es 24,01 y el P/E (TTM) es 7,71. Incluso ofrece un atractivo rendimiento de dividendo del 3,27 %.
Los resultados financieros de la compañía para el Q1 2025 mostraron que sus ingresos netos aumentaron un 6,5 % a $314 mil millones, mientras que el ingreso operativo disminuyó más del 15 % a $31,3 mil millones. Durante este período, la compañía vendió un total de aproximadamente 9 362 000 unidades. A pesar de que las ventas disminuyeron en 81 000 unidades en el trimestre, Toyota siguió siendo la marca más vendida.
Esto ocurre después de que Toyota vendiera 10,8 millones de vehículos en 2024, convirtiéndose en el fabricante de automóviles más vendido del mundo por quinto año consecutivo.
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Conclusión: El Futuro de las Baterías de Estado Sólido
Las baterías de estado sólido prometen muchos beneficios sobre las baterías de litio ampliamente usadas. Aunque ofrecen mejor seguridad, densidad energética y longevidad, desafíos como la delaminación interfacial y la formación de dendritas aún obstaculizan su adopción masiva.
Aquí, el último descubrimiento de que mezclar ciertos electrolitos sólidos crea una “capa de carga espacial”, que mejora la movilidad iónica, representa una nueva dirección prometedora. A través de tales avances, junto con la experimentación constante de las empresas, las SSB finalmente pueden volverse viables para su uso en dispositivos móviles y vehículos eléctricos.
Estudios Referenciados:
1. Wang, B., Limon, M. S. R., Zhou, Y., Cho, K., Ahmad, Z., & Su, L. (2025). Efecto 1 + 1 > 2 inducido por carga espacial en electrolitos sólidos. ACS Energy Letters, 10(3), 1255–1257. https://doi.org/10.1021/acsenergylett.4c03398
2. Wang, T., Chen, B., Liu, Y., Song, Z., Wang, Z., Chen, Y., Yu, Q., Wen, J., Dai, Y., Kang, Q., Pei, F., Xu, R., Luo, W., & Huang, Y. (2025). Fatiga del ánodo de metal de Li en baterías de estado sólido. Science, 388(6744), 311–316. https://doi.org/10.1126/science.adq68073. Avvaru, V. S., Ogunfunmi, T., Jeong, S., Diallo, M. S., Watt, J., Scott, M. C., & Kim, H. (2025). Capa dual de amortiguación de estaño‑carbono para suprimir el crecimiento de dendritas de litio en baterías totalmente de estado sólido. ACS Nano, 19(18), 17347–17356. https://doi.org/10.1021/acsnano.4c16271
4. Zhao, L., Feng, M., Wu, C. et al. Imágenes de la evolución de la interfaz litio‑electrolito sólido usando microscopía electrónica de barrido operando. Nat Commun 16, 4283 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-59567-8
5. Wang, S., Liu, J., Song, X. et al. La inteligencia artificial potencia las baterías de estado sólido para la criba de materiales y evaluación del rendimiento. Nano-Micro Lett. 17, 287 (2025). https://doi.org/10.1007/s40820-025-01797-y
