Energía
Baterías Sólidas de Sodio y Hidrógeno Desafían al Litio
Más allá del ion de litio
Con la electrificación de todas las formas de transporte, empezando por los automóviles y pronto también abarcando camiones, barcos y posiblemente incluso aviones, el almacenamiento de baterías se ha convertido en la tecnología clave de la década.
Inicialmente estuvo dominado por la tecnología de ion de litio, gracias a la experiencia en su fabricación para pequeños dispositivos electrónicos y a las propiedades eléctricas inherentes del litio.
Sin embargo, la tecnología de ion de litio presenta algunos problemas clave que podrían limitar su adopción:
- Es más cara y más rara que otros metales, lo que podría limitar su aplicación a baterías de ultra alta densidad o productos de gama alta.
- Tende a formar dendritas metálicas que pueden causar fallos catastróficos e incendios en la batería.
- Funciona mal a temperaturas bajo cero, lo que la hace inadecuada para climas fríos y almacenamiento fijo en regiones frías.
Por todas estas razones, científicos y fabricantes de baterías han estado explorando químicas alternativas. Una de ellas es el uso de sodio, uno de los componentes de la sal marina ultra abundante y barata.
Las baterías de ion de sodio están pronto alcanzando la etapa de producción masiva, con la empresa CATL (300750.SZ) liderando la carga en ese campo.
“No se trata de sodio contra litio. Necesitamos ambos. Cuando pensamos en las soluciones de almacenamiento de energía del mañana, deberíamos imaginar que la misma gigafábrica puede producir productos basados tanto en químicas de litio como de sodio,”
Shirley Meng– Professora en Ingeniería Molecular en la UChicago PME.
Aun así, se espera que tanto las baterías de ion de litio como las de ion de sodio sean un paso intermedio hacia una forma superior de tecnología de baterías: baterías de estado sólido.
Al principio centrada en el litio, la tecnología de estado sólido ahora se está expandiendo hacia nuevas direcciones. Por ejemplo, discutimos previamente la posibilidad de una batería de estado sólido sin ánodo basada en sodio.
Un nuevo estudio reveló que una forma metastable del electrolito sólido de sodio podría usarse para crear baterías de sodio de estado sólido que no solo son más densas en energía, sino que también mantienen el rendimiento incluso a temperaturas bajo cero.
Este trabajo fue realizado por científicos de la Universidad de California, la Universidad de Chicago y la Universidad Nacional de Ciencia y Tecnología de Taiwán, y se publicó en la revista Joule1 bajo el título “Metastable sodium closo-hydridoborates for all-solid-state batteries with thick cathodes”.
Desafíos de los electrolitos de estado sólido
En una batería “normal”, el cátodo y el ánodo están separados por un electrolito líquido. Este electrolito es muy útil, pero también muy pesado, y es la causa principal de incendios en baterías defectuosas.
Por eso, reemplazarlo con una capa de material sólido hace que la batería no solo sea mucho más densa, sino también más segura. Sin embargo, mantener este electrolito sólido estable y que no se hinche al cargar o descargar la batería (causando grietas) ha sido un problema.
Los electrolitos sólidos de sodio tienen un problema adicional, ya que presentan una conductividad iónica limitada a temperatura ambiente.
Una alternativa podría ser usar un material como el hidrido de boro de sodio, conocido por tener una conductividad iónica muy alta. Pero para eso, su forma metastable debe mantenerse en una batería a escala.
“Esta estructura metastable del hidrido de boro de sodio tiene una conductividad iónica muy alta, al menos un orden de magnitud mayor que la reportada en la literatura, y de tres a cuatro órdenes de magnitud mayor que el precursor mismo.”
Shirley Meng– Professora en Ingeniería Molecular en la UChicago PME.
Estabilizando los electrolitos de estado sólido de sodio
Al producir una batería con hidrido de boro de sodio, el material tiende a moverse hacia una estructura estable al enfriarse, separando NaBH4 de moléculas Na2B12H12.
Una forma metastable existe a alta temperatura, mezclando los 2 cristales, lo que permite un movimiento mucho más rápido del sodio en la batería, conduciendo a una mayor capacidad eléctrica.
Fuente: Joule
Al enfriar rápidamente, el material permanece en una forma metastable, el cristal mantiene su estructura, en lugar de volver a una forma estable. Este tipo de enfriamiento rápido, también llamado templado, es un método clave usado en la fabricación, notablemente en la metalurgia del acero y otros metales.
Fuente: Joule
Técnica conocida para la escalabilidad
Ya se sabía que para estabilizar una estructura química, el templado (enfriamiento rápido) es a menudo un método útil. Sin embargo, esto nunca se había demostrado en un electrolito de estado sólido hasta ahora.
El hecho de que esto sea una práctica comúnmente aceptada podría ayudar enormemente a que esta técnica sea escalable y adoptada por los fabricantes de baterías.
“Dado que esta técnica está establecida, podemos escalar mejor en el futuro.
Si propones algo nuevo o si hay necesidad de cambiar o establecer procesos, la industria será más reacia a aceptarlo.”
Sam Oh – A*STAR Institute of Materials Research and Engineering in Singapore.
Electrodo grueso y temperaturas frías
La mayoría de los diseños de estado sólido intentan diseñar un cátodo ultra delgado para maximizar la superficie de contacto y limitar la cantidad de material “muerto” que no almacena energía.
El templado resuelve este problema creando poros permanentes donde el ion sodio puede circular.
“Emparejar esa fase metastable con un cátodo tipo O3 que ha sido recubierto con un electrolito sólido basado en cloruro puede crear cátodos gruesos, de alta carga areal, que ponen este nuevo diseño más allá de las baterías de sodio anteriores.”
Sam Oh – A*STAR Institute of Materials Research and Engineering in Singapore.
Esto crea un potencial de diseño interesante, ya que hacer el electrodo más grueso debería, en este caso específico, mejorar la batería, en lugar de empeorarla.
“Cuanto más grueso es el cátodo, mayor es la densidad energética teórica de la batería – la cantidad de energía contenida en un área específica – mejora,”
Sam Oh – A*STAR Institute of Materials Research and Engineering in Singapore.
Al probar el cátodo, los investigadores encontraron que el rendimiento se mantenía a temperatura ambiente e incluso por debajo del punto de congelación — una ventaja notable para la operación en climas fríos comparado con el ion de litio de electrolito líquido convencional — aunque la superioridad a nivel de sistema frente a los Li‑ion comerciales aún no se ha demostrado.
Hidrógeno como portador de carga
Al hablar de hidrógeno en relación con el transporte y la energía verde, generalmente nos referimos al dihidrógeno (H2) y su combustión u oxidación en motores dedicados o pilas de combustible.
Pero el hidrógeno podría tener potencial como componente clave de baterías en el futuro también, reemplazando al litio o al sodio. En ese caso, se usa hidruro (H-) en su lugar.
Como el hidrógeno es el elemento más abundante del Universo, esto podría hacerlo especialmente útil para un mundo que aspire a estar totalmente electrificado y funcionando con energía verde y baterías.
Investigadores chinos de la Universidad de la Academia China de Ciencias, la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC), la Universidad de Jilin y el Laboratorio Estatal Clave de Catalisis de la República Popular China revelaron en la prestigiosa revisión científica Nature2 el concepto de una batería de iones hidruro de estado sólido, bajo el título “A room temperature rechargeable all-solid-state hydride ion battery”.
Iones hidruro
Las baterías usan un portador de carga negativo para transportar electrones entre el ánodo y el cátodo. En teoría, los iones hidruro (H−) son más energéticos, polarizables y reactivos que los cationes como el litio o el sodio.
El hidrógeno también es el átomo más pequeño, lo que lo hace especialmente ligero, un punto clave para baterías usadas en transporte.
Sin embargo, a pesar de estas ventajas bien conocidas, los iones hidruro no se han usado en baterías hasta ahora, ya que ningún electrolito ha podido proporcionar la combinación de movimiento rápido de iones, estabilidad térmica y compatibilidad con el electrodo que dichos sistemas requieren.
Combinando conductividad con estabilidad
Los investigadores sintetizaron un nuevo compuesto núcleo‑corteza de hidruro, 3CeH3@BaH2, donde una fina capa de BaH2 encapsula CeH3. Esta estructura aprovecha la alta conductividad de iones hidruro de CeH3 y la estabilidad de BaH2.
Usando este compuesto de capa como bloque de construcción, los investigadores crearon un prototipo de batería de iones hidruro de estado sólido CeH2|3CeH3@BaH2|NaAlH4. NaAlH4, un material clásico de almacenamiento de hidrógeno, se utilizó como componente activo del cátodo.
¿Eliminar los dendritas para siempre?
Además de su alta capacidad energética, los iones hidruro tienen otra gran ventaja: a diferencia de los cationes metálicos, no pueden ensamblarse entre sí para formar dendritas, la causa raíz de la mayoría de fallos de baterías tras demasiados ciclos de carga‑descarga, provocando cortocircuitos e incendios.
Por lo tanto, podría ser el camino para un almacenamiento de energía seguro, eficiente y sostenible.
Sin embargo, esta tecnología está mucho menos madura que las baterías de litio o incluso las de sodio, necesitando avances en la durabilidad de este diseño.
Por ahora, los investigadores lograron una densidad de energía alta de 984 mAh/g a temperatura ambiente. Pero la capacidad de la batería disminuyó a 402 mAh/g después de solo 20 ciclos.
El futuro de las baterías de estado sólido
A corto plazo, es probable que las baterías basadas en tecnología de ion de litio sigan siendo la base de la energía verde y los vehículos eléctricos.
Sin embargo, a medio plazo, las baterías de estado sólido o el sodio (y el sodio de estado sólido) podrían desplazar el dominio del ion de litio, especialmente si logran ofrecer una densidad de energía suficientemente alta a un precio menor.
La carga rápida de las baterías de estado sólido también podría ser un argumento para conductores reacios a cambiar a vehículos eléctricos o aplicaciones comerciales.
La durabilidad y la tolerancia a temperaturas frías también serán factores en la ecuación, con potencialmente una amplia gama de químicas de baterías paralelas coexistiendo a lo largo de la década de 2030, con algunas baterías especializadas para vehículos eléctricos en climas fríos.
Puedes leer más sobre estos temas en nuestros siguientes artículos:
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| Tipo de batería | Densidad de energía | Ciclo de vida | Costo | Madurez |
|---|---|---|---|---|
| Lithium-Ion | 250–300 Wh/kg | 1,000+ cycles | High | Commercial |
| Sodium-Ion | 160–200 Wh/kg | 1,000+ cycles | Lower | Scaling (CATL) |
| Solid-State (Lithium) | 350–500 Wh/kg | >2,000 cycles (target) | High (R&D) | Pilot (2026–27) |
| Hydride Ion | 984 mAh/g (prototype) | 20 cycles (current) | Unknown | Early Research |
Empresa de baterías de estado sólido
QuantumScape
(QS )
Desde su fundación en 2010, la californiana QuantumScape ha sido una startup prominente en el espacio de baterías de estado sólido, notable por su entrada temprana al 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 al momento de su revelación se consideró revolucionaria, es que utilizan un diseño sin ánodo.
Permite una carga rápida de ~15 minutos (10‑80 % a 45 ºC) 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 (tanto su propio diseño como los fabricados por CATL).
Fuente: QuantumScape
Sin embargo, estos rendimientos notables han sido regularmente obstaculizados por una lucha para escalar la producción. También obligó a la empresa a quemar su reserva de efectivo, lo que llevó a la dilución de los inversores anteriores y a una caída en el 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 escalado de la producción de QuantumScape está 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 conjunto, se espera que Cobra se integre a la producción en 2025, y que el primer EV terminado con baterías QuantumScape se produzca 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.
La relación con PowerCo se está acercando en 2025, con baterías de estado sólido usadas en una motocicleta Ducati, y PowerCo proporcionará hasta 131 millones de dólares en nuevos pagos durante los próximos dos años una vez que el equipo conjunto de escalado alcance ciertos hitos.
“Este acuerdo ampliado es una señal clara del creciente alineamiento estratégico, técnico y financiero entre ambas compañías.
Refleja nuestra confianza compartida en QSE‑5 como una plataforma que cambiará el juego para la industria de baterías.”
Mientras tanto, los inversores aún deberían esperar cierta volatilidad en el precio de la acción, pero con una luz al final del túnel de desarrollo del producto.
(También puedes consultar otras compañías de baterías en EE. UU. y en el extranjero en nuestro artículo
“Top 10 acciones de baterías para invertir”).
Estudio referenciado
1. Jin An Sam Oh, et al. Metastable sodium closo-hydridoborates for all-solid-state batteries with thick cathodes. Joule. 102130. 16 de septiembre de 2025. https://www.cell.com/joule/abstract/S2542-4351(25)00311-3
2. Jirong Cui, et al. A room temperature rechargeable all-solid-state hydride ion battery. Nature. 17 de septiembre de 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09561-3
