Energía
Baterías Ultra‑Duraderas: Por Qué la Tecnología de Próxima Generación Durará Décadas, No Solo Años
Baterías Diseñadas Para Durar
As the world electrifies and switches to renewable energy, the need for more energy storage grows. This is in part driven by the switch to EVs, but also due to the intermittent nature of renewable production.
Esto puede compensarse parcialmente con otras fuentes de energía bajo en carbono, como la hidroeléctrica o la nuclear, o quizá energía geotérmica en el futuro. Aún así, los defensores de la energía verde preferirían ver la energía solar (y eólica) de bajo costo como la base de nuestros sistemas energéticos.
Esto crea una demanda de baterías con características fundamentalmente diferentes a las de la movilidad.
Los vehículos eléctricos necesitan baterías muy densas en energía que sean lo suficientemente ligeras y compactas para caber en el chasis de un coche. La durabilidad es una preocupación, pero mientras la batería pueda funcionar durante 10‑15 años, esto probablemente esté alineado con la durabilidad del resto de los componentes del coche.
En contraste, las baterías de almacenamiento de energía están mucho menos limitadas por el peso o el volumen. Sin embargo, sí están definitivamente limitadas por el costo, ya que representan un costo adicional para la producción de energía verde y la red eléctrica.
Una forma de reducir el costo del almacenamiento de energía es usar materiales menos costosos que el litio para construir la batería. Se están considerando muchas alternativas, como discutimos previamente en “El Futuro del Almacenamiento de Energía – Tecnología de Baterías a Escala de Servicios Públicos”: baterías que utilizan tecnologías como sodio‑ion, hierro‑aire, zinc, sal marina, polímeros, sodio‑azufre o incluso metales fundidos.
Another key element in reducing the lifetime cost of a battery system is to have it last several decades. By amortizing the investment over many years, this brings the capital cost of the battery much lower on a yearly basis. And this is something utilities companies are likely to be more comfortable with, as they are used to amortize new power plants over 30-50 year time frames.
¿Por Qué Fallan las Baterías?
Muerte Por Dendritas
Before building a battery that lasts almost forever, we need to look at why most batteries lose charge over time or stop working.
Un factor clave, especialmente en baterías de ion‑litio, es el crecimiento de dendritas. Esta estructura similar a estalactitas se forma por la acumulación inadecuada de metal dentro de la batería y, con el tiempo, puede romper la barrera entre el cátodo y el ánodo, potencialmente provocando un cortocircuito y un incendio catastrófico.
Fuente: Nobel Prize
Debido a este riesgo de incendio, las dendritas son un problema especialmente serio para las compañías de servicios públicos, ya que el fuego en una celda de batería podría propagarse rápidamente a todo un parque de baterías de varios miles de millones cercano. Por lo tanto, idealmente, una tecnología de batería diseñada para durar debería presentar casi ningún riesgo de formar estas dendritas.
It should also be noted that while dendrites are most discussed with lithium-ion batteries, this is a common issue for most batteries using metallic anodes and/or cathodes.
Pérdida de Carga
Another way batteries can fail is by slowly losing their capacity to store energy. This is usually the result of some of the metal used in the electrode slowly accumulating in a form that cannot be turned back into something useful.
Fuente: EnergSoft
Otras causas pueden ser pequeñas grietas formadas por estrés mecánico y térmico, pérdida de integridad estructural, acumulación de depósitos no deseados, etc.
Fuente: EnergSoft
Así, cuanto más susceptible sea una tecnología de batería a esta degradación lenta, mayor será la disminución total de carga, volviéndose progresivamente inútil. Además, las baterías degradadas tienden a retener la carga peor y desperdician más energía almacenada, haciéndolas aún menos rentables.
Por lo tanto, la tecnología de batería ideal no sería susceptible a la degradación lenta de sus materiales constituyentes, o podría regenerarse regularmente a un estado óptimo sin requerir reciclar todo el sistema.
Si deseas conocer los detalles de cómo se degradan las baterías, también puedes consultar este video de 22 minutos:
Vida Útil por Ciclos
Battery durability can be a complex thing to measure. For example, most EV battery systems are usually measured on a per-mile basis, or how much distance the EVs can be driven before needing a new battery pack.
Otra forma de medirla es por el número de ciclos de carga‑descarga que pueden realizarse antes de que la batería pierda una porción significativa de su carga total. Para el almacenamiento de energía, se espera un ciclo regular de carga‑descarga, de 1‑3 veces al día.
Lastly, how long a charge can be held is also an important question, as most batteries will lose a little bit of their charge every day. Meanwhile, the wind can stop blowing for weeks at a time, and winter days are the ones with the least sun and the highest power consumption, especially in cold climates. So in theory, a battery able to carry power without much loss for weeks or even months would be the ideal option.
Tolerancia a la Temperatura
Most battery technology can be more than a little intolerant of cold, especially freezing temperatures. As energy storage at scale will likely be done in outdoor space near a power station, this can be a serious issue in cold climates during winter. If a significant portion of the energy stored ends up being used to keep the batteries warm, this can severely impact the economics of operating these batteries.
Tecnologías de Baterías Ultra‑Duraderas
Baterías de Panal
Even if, ultimately, alternative chemistries will be the winners for powering a fully renewable-centered power grid, battery manufacturers are also looking at ways to make their current technology more durable.
Un ejemplo es las 300750.SZ baterías de panal. El gigante de baterías CATL, que produce más de la mitad de las baterías del mundo, está apostando fuertemente a esta tecnología. Parece basarse parcialmente en una idea propuesta ya en un artículo científico de 2020 titulado “Stretchable lithium‑ion battery based on new micro‑honeycomb structure”.
Fuente: Phys.org
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 paralelas pero en direcciones opuestas).
Este cambio en la configuración física de la batería mantiene el material en el lugar correcto, evitando grietas y contracciones durante la carga.
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
En conjunto, la estructura de batería de panal parece evitar grietas y la formación de dendritas, creando una batería ultra‑duradera mientras sigue basándose en el principio bien entendido de las baterías de ion‑litio y LFP (baterías de fosfato de hierro‑litio).
Probablemente sea el núcleo del nuevo producto de CATL, el sistema de batería LFP contenedorizado TENER, que ha demostrado cero degradación en capacidad después de 5 años completos de operación.
TENER está comenzando a comercializarse por CATL para compañías de servicios públicos.
Fuente: Sustainability Environment
Baterías de Estado Sólido
Besides modification to the chemistry, the very way batteries are built can be changed to make for more dense and more durable batteries.
Esta es la idea detrás de las baterías de estado sólido, que reemplazan el electrolito líquido en la mayoría de los diseños de baterías por una capa metálica sólida. En teoría, deberían construir las baterías con mayor energía, aunque quizá no sean las más baratas.
Hasta hace poco, esta era una idea difícil de implementar a escala, ya que requiere un contacto perfecto entre las capas metálicas. El movimiento mecánico durante la carga‑descarga también suele provocar la formación de grietas.
Sin embargo, desarrollos recientes de muchas compañías como QuantumScape (QS ), Toyota (TM ), Samsung SDI (006400.KS) o Hyundai (HYMTF) de fábricas de baterías y producción masiva para 2028‑2030 indican que la tecnología está ahora madurando.
En teoría, las baterías de estado sólido bien desarrolladas podrían reemplazar progresivamente todas las baterías de ion‑litio, LFP e incluso sodio‑ion en los vehículos eléctricos.
Su precio final aún está por ver cuando se produzcan a escala para determinar si serán lo suficientemente baratas para aplicaciones de almacenamiento de energía en la red. Tal vez conceptos especiales como baterías de estado sólido sin ánodo de sodio podrían gestionar esta tarea, ya que evitarían el uso de litio metálico costoso.
(Puedes aprender más sobre oportunidades de inversión en esta tecnología en “5 Mejores Acciones de Baterías de Estado Sólido para Observar o Comprar”).
Baterías de Zinc
Because zinc is a very cheap and abundant metal, it has been used in non-rechargeable batteries for a long time. Reusable batteries can also be built with zinc, notably zinc-based aqueous batteries (ZABs).
Sin embargo, es un diseño que ha estado plagado de formación de dendritas, reacción parasitaria de evolución de hidrógeno (HER) y pasivación por corrosión superficial, reduciendo severamente su utilidad.
Esto está cambiando gracias a nueva investigación realizada en la Universidad Técnica de Múnich1. Utilizaron un polímero orgánico poroso llamado TpBD-2F. Este material forma una película estable, ultrafina y altamente ordenada en el ánodo de zinc, permitiendo que los iones de zinc fluyan eficientemente a través de nano‑canales mientras mantiene el agua alejada del ánodo.
Fuente: Advanced Energy Materials
Las celdas completas ensambladas (capacitores de iones Zn) entregan una vida de ciclo ultra‑larga de más de 100,000 ciclos, una durabilidad asombrosa, gracias a la supresión casi completa de la formación de dendritas, así como a la ausencia de HER y corrosión.
In addition to zinc batteries, the researchers think this concept could be expanded to other metal anodes: lithium, sodium, potassium, aluminum, etc.
Baterías TAQ‑Polímero y de Sodio‑Ion
Polymer (carbon) and sodium instead of lithium can be a great way to reduce the price of raw materials going into a battery. This is what researchers at the MIT combined in their TAQ-sodium-ion battery.
En las pruebas iniciales, logró 2,000 ciclos de carga‑descarga sin degradación visible, mientras ofrecía mayor densidad energética que las baterías de litio y una carga ultra‑rápida de 6 minutos.
This demonstrates that, ultimately, the battery chemistry most likely to win the race for ultra-durable battery might not be just more of the same but a radical rethinking of what materials can be used in a battery, with both cheap and abundant elements like carbon and sodium good candidates.
Baterías de Metal Fundido
Most battery concepts are based on the transfer of electrons between one oxidation state of solid metal atoms to another oxidation state. In these, anodes and cathodes need to be perfectly separated to avoid shortcuts.
Cuanto más metal y menos partes líquidas como electrolitos, mejor, como en las baterías de estado sólido, o así va la dirección de la mayor parte de la industria de baterías.
Expandiendo radicalmente lo que puede considerarse una batería, las baterías de metal fundido hacen lo contrario: los tres componentes principales, ánodo, cátodo y electrolito, son líquidos.
Se separan espontáneamente entre sí gracias a diferentes densidades líquidas. El hecho de que no haya componentes sólidos debería, en teoría, aumentar dramáticamente la vida útil de la batería, además de permitir una carga y descarga muy rápidas y ser totalmente reciclables.
Fuente: Ambri
La empresa respaldada por Bill Gates, Ambri, que utiliza una batería de calcio y antimonio, ha sido una defensora de esta tecnología. Planeaba producir 200,000 celdas de batería al año en su nueva fábrica para 2024.
This however did not come to pass, as the company ran out of money before it could scale-up production. It has since emerged from chapter 11 bankruptcy in summer 2024, and will still be led by co-founder Dr. David Bradwell as its CEO.
We look forward to offering our unique, safe, and low-cost commercial product to our customers at scale, to meet the strong customer demand for our battery systems, and for a cleaner energy future.
As we embark on this fresh start with a stronger balance sheet and new capital, we are focused on positioning Ambri to play a leading role in the long-duration energy storage market for the benefit of our stakeholders.”
David Bradwell
So Ambri is not dead yet, and it is not the only company working on molten batteries. Japanese NGK insulator (NGKIF) is also working on a sodium-sulfur molten salt battery, and the company Horien is working on a sodium-nickel-chloride battery.
Both company products are already commercialized and rated for a lifespan of 20+ years.
Baterías de Calor / Térmicas
Stretching even further the definition of battery from electricity storage to simply any energy storage, heat batteries are storing green power in the form of heat instead of electrochemical energy.
This can bring several important advantages over “normal” batteries:
- Retención de calor durante varios meses es perfectamente viable con suficiente aislamiento, mientras que las baterías químicas siempre perderán más energía por día.
- La mayor parte del material que retiene calor puede ciclar cientos de miles de veces sin degradación significativa.
- Los materiales usados son baratos y abundantes, como, por ejemplo, arena o carbono puro.
The combination of cheap materials, almost zero degradation over decades, and multi-month energy retention make heat batteries a good candidate.
Mayormente son empresas privadas explorando esta idea, notablemente la empresa finlandesa Polar Night Energy, que almacena energía excedente del verano para el invierno, usando solo arena de bajo grado y un poco de metal para el marco y la tubería.
Fuente: Polar Night Energy
Una batería de calor similar es concebida por Rondo Energy, con ladrillos cerámicos que pueden calentarse hasta 1500 °C, usando el calor para procesos industriales como la producción de cemento o acero.
Fuente: Rondo Energy
En conjunto, esto puede ser una gran opción para descarbonizar sectores que aún consumen muchos combustibles fósiles, como la industria pesada y la calefacción invernal de apartamentos. Especialmente porque el diseño puede ayudar a almacenar energía del soleado verano para el nublado invierno.
El calor almacenado incluso podría convertirse de nuevo en energía, gracias a celdas termofotovoltaicas, con investigadores de la Universidad de Michigan que han desarrollado celdas con un récord de 44 % de eficiencia2.
Fuente: Design Boom
Conclusión
Battery systems for electric grids and homes are likely to be less reliant on the current lithium-ion technology and more on cheaper and more durable technologies, even if they are less energy dense. For now, the ones ready for mass commercialization are advanced honeycomb-structure LFP and sodium-ion batteries.
In the long term, more exotic solutions are likely to be added to the mix, like molten metal, zinc, polymer, or heat batteries. Ultimately, the durability, cost of materials, and cost of manufacturing will likely be the determining factor of which turn out to be the “final from” of ultra-durable energy storage.
That is, if solid-state batteries do not turn out cheap enough to take over the entire energy storage market, which is a distinct possibility.
Empresa de Baterías Ultra‑Duraderas
QuantumScape
(QS )
Since its foundation in 2010, Californian Quantum Scape has been a prominent startup in the solid-state battery space, remarkable by its move into the field early, and its independence from larger battery manufacturers also pursuing solid-state technology, like CATL (300750.SZ), Samsung, or LG Energy Solution (373220.KS).
Fuente: QuantumScape
One unique feature of QuantumScape batteries, which at the time was considered revolutionary, is that is use an anode-free design. It allows for ~15-minute fast charge (10-80% at 45 ºC) and the separator is nonflammable and noncombustible.
Fuente: QuantumScape
This also puts QuantumScape batteries in a league of their own when it comes to energy density and charging speed, massively outperforming leaders like Tesla (both its own design and CATL-made ones).
Fuente: QuantumScape
However, these remarkable performances have been regularly hindered by a struggle to ramp up production. It also forced the company to burn through its cash pile, leading to previous investors dilution and share prices decline.
This seems to be changing since the 2024 agreement with PowerCo, the Volkswagen Group battery division, for a licensing deal for the design and mass production of QuantumScape batteries by PowerCo.
Under the non-exclusive licensing deal, PowerCo can manufacture up to 40 gigawatt-hours per year of electric vehicle batteries, with the option to expand to 80 GWh a year.
The sudden scaling-up of QuantumScape production seems to be linked to Cobra, the company’s next-generation solid-state battery separator equipment, a breakthrough in ceramics manufacturing.
Overall, Cobra should be integrated into production in 2025, and the first finished EV using QuantumScape batteries should be produced in 2026.
Fuente: QuantumScape
This could be a turning point for the company, moving 16 years after founding from a promising startup with interesting IP to generating growing revenues from a partnership with one of the largest automakers in the world.
In the meantime, investors should still expect some volatility in the stock price, but with a light at the end of the product development tunnel.
Últimas Noticias sobre QuantumScape
Referencia del Estudio:
1. Da Lei, et al, (2024) Cinética de Transporte de Iones y Aumento de la Estabilidad de la Interfaz de Ánodos de Zinc Basados en Películas Delgadas de Marco Orgánico Covalente Fluorado. Advanced Energy Materials. 13 octubre de 2024
2. Bosun Roy‑Layinde, et al. (2024) Células termofotovoltaicas de puente de aire de alta eficiencia. Joule. Volume 8, Issue 7, p2135-2145. 17 de julio de 2024.
