Baterías Ultra‑Duraderas: Por Qué la Tecnología de Próxima Generación Durará Décadas, No Solo Años

Baterías Diseñadas Para Durar

A medida que el mundo se electrifica y adopta energías renovables, aumenta la necesidad de almacenar energía. Esto se debe en parte a la transición hacia los vehículos eléctricos, pero también a la producción intermitente de las fuentes renovables.

Esto puede compensarse parcialmente con otras fuentes de energía bajas 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.

Otro elemento clave para reducir el costo total de un sistema de baterías es lograr que dure varias décadas. Al amortizar la inversión durante muchos años, el costo de capital anual de la batería disminuye considerablemente. Las empresas de servicios públicos están acostumbradas a amortizar nuevas centrales eléctricas durante períodos de 30 a 50 años, por lo que este modelo les resulta familiar.

¿Por Qué Fallan las Baterías?

Muerte Por Dendritas

Antes de construir una batería que dure casi para siempre, debemos entender por qué la mayoría pierde capacidad con el tiempo o deja de funcionar.

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.

También conviene señalar que, aunque las dendritas se analizan sobre todo en las baterías de ion de litio, son un problema común en la mayoría de las baterías que utilizan ánodos o cátodos metálicos.

Pérdida de Carga

Otra forma en que las baterías pueden fallar es perdiendo gradualmente su capacidad de almacenar energía. Por lo general, esto ocurre cuando parte del metal del electrodo se acumula poco a poco en una forma que no puede volver a convertirse en material útil.

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

Medir la durabilidad de una batería puede ser complejo. Por ejemplo, muchos sistemas de baterías para vehículos eléctricos se evalúan según la distancia que el vehículo puede recorrer antes de necesitar un paquete nuevo.

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.

Por último, el tiempo durante el cual puede conservarse la carga también es importante, ya que la mayoría de las baterías pierde una pequeña parte cada día. El viento puede dejar de soplar durante semanas y los días de invierno tienen menos sol y un mayor consumo eléctrico, especialmente en climas fríos. En teoría, una batería capaz de conservar la energía con pocas pérdidas durante semanas o incluso meses sería la opción ideal.

Tolerancia a la Temperatura

La mayoría de las tecnologías de baterías tolera mal el frío, especialmente las temperaturas bajo cero. Como el almacenamiento a gran escala probablemente se instalará al aire libre y cerca de centrales eléctricas, esto puede suponer un problema grave durante el invierno en climas fríos. Si una parte importante de la energía almacenada se utiliza para mantener calientes las baterías, la viabilidad económica de su operación puede verse muy afectada.

Tecnologías de Baterías Ultra‑Duraderas

Baterías de Panal

Aunque otras composiciones químicas acaben imponiéndose para alimentar una red centrada por completo en energías renovables, los fabricantes también buscan formas de aumentar la durabilidad de las tecnologías actuales.

Un ejemplo son las baterías de panal de CATL (300750.SZ). 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

Además de modificar la composición química, también puede cambiarse la propia estructura de las baterías para aumentar su densidad energética y su durabilidad.

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 permitir fabricar baterías con mayor densidad energética, 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.

Fuente: Flash Battery

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

Como el zinc es un metal muy barato y abundante, se utiliza desde hace mucho tiempo en baterías no recargables. También pueden fabricarse baterías recargables con zinc, en especial baterías acuosas basadas en zinc (ZAB).

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.

Además de las baterías de zinc, los investigadores creen que este concepto podría aplicarse a otros ánodos metálicos, como los de litio, sodio, potasio o aluminio.

Baterías TAQ‑Polímero y de Sodio‑Ion

Usar polímeros (carbono) y sodio en lugar de litio puede reducir considerablemente el costo de las materias primas de una batería. Eso es lo que combinaron investigadores del MIT en su batería TAQ de ion de sodio.

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.

Esto demuestra que la química con más posibilidades de imponerse en las baterías ultraduraderas quizá no sea una simple mejora de lo conocido, sino una reconsideración profunda de los materiales utilizados. Elementos baratos y abundantes como el carbono y el sodio son buenos candidatos.

Baterías de Metal Fundido

La mayoría de los conceptos de batería se basa en la transferencia de electrones entre distintos estados de oxidación de átomos metálicos sólidos. En estos sistemas, el ánodo y el cátodo deben permanecer perfectamente separados para evitar cortocircuitos.

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.

Sin embargo, el plan no se concretó porque la empresa se quedó sin fondos antes de ampliar la producción. Desde entonces, salió de la bancarrota del Capítulo 11 en el verano de 2024 y continúa dirigida por su cofundador, el Dr. David Bradwell, como director ejecutivo.

Esperamos ofrecer a gran escala nuestro producto comercial único, seguro y de bajo costo para atender la fuerte demanda de nuestros sistemas de baterías y contribuir a un futuro energético más limpio.

Al iniciar esta nueva etapa con un balance más sólido y nuevo capital, nos centramos en posicionar a Ambri para que desempeñe un papel destacado en el mercado del almacenamiento de energía de larga duración, en beneficio de nuestros grupos de interés.

David Bradwell

Por tanto, Ambri sigue activa y no es la única empresa que trabaja con baterías fundidas. La japonesa NGK Insulators (NGKIF) desarrolla una batería de sales fundidas de sodio y azufre, mientras que Horien trabaja en una batería de sodio, níquel y cloruro.

Los productos de ambas empresas ya se comercializan y tienen una vida útil estimada de más de 20 años.

Baterías de Calor / Térmicas

Si ampliamos la definición de batería desde el almacenamiento eléctrico hasta cualquier forma de almacenamiento energético, las baterías térmicas guardan la electricidad renovable como calor en lugar de energía electroquímica.

Esto puede aportar varias ventajas importantes frente a las baterías convencionales:

• 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.

La combinación de materiales baratos, una degradación casi nula durante décadas y la capacidad de conservar energía durante meses convierte a las baterías térmicas en una opción prometedora.

Esta idea la exploran principalmente empresas privadas, entre ellas la compañía 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

Es probable que los sistemas de baterías para redes eléctricas y hogares dependan menos de la tecnología actual de ion de litio y más de opciones baratas y duraderas, aunque tengan menor densidad energética. Por ahora, las tecnologías preparadas para una comercialización masiva son las baterías LFP avanzadas con estructura de panal y las de ion de sodio.

A largo plazo, probablemente se sumen soluciones menos convencionales, como las baterías de metal fundido, zinc, polímeros o almacenamiento térmico. En última instancia, la durabilidad y los costos de materiales y fabricación determinarán qué tecnología se convierte en la forma predominante de almacenamiento ultraduradero.

Todo ello dependerá de que las baterías de estado sólido no lleguen a ser lo bastante baratas como para dominar todo el mercado del almacenamiento energético, una posibilidad que no puede descartarse.

Empresa de Baterías Ultra‑Duraderas

QuantumScape

Desde su fundación en 2010, la californiana QuantumScape ha sido una empresa emergente destacada en el ámbito de las baterías de estado sólido. Entró pronto en este campo y se ha mantenido independiente de fabricantes de baterías más grandes que también desarrollan esta tecnología, como CATL (300750.SZ), Samsung o LG Energy Solution (373220.KS).

Fuente: QuantumScape

Una característica singular de las baterías de QuantumScape, considerada revolucionaria en su momento, es su diseño sin ánodo. Permite una carga rápida de unos 15 minutos (del 10 al 80 % a 45 °C), y el separador no es inflamable ni combustible.

Fuente: QuantumScape

Esto sitúa a las baterías de QuantumScape en una posición singular por densidad energética y velocidad de carga, con resultados muy superiores a los de líderes como Tesla (TSLA ), tanto en sus diseños propios como en los fabricados por CATL.

Fuente: QuantumScape

Sin embargo, estos resultados se han visto limitados repetidamente por las dificultades para ampliar la producción. La empresa también consumió gran parte de su efectivo, lo que provocó la dilución de los accionistas existentes y una caída de la cotización.

Esto parece estar cambiando desde el acuerdo de 2024 con PowerCo, la división de baterías del Grupo Volkswagen, que obtuvo una licencia para diseñar y producir en masa baterías de QuantumScape.

Según el acuerdo de licencia no exclusiva, PowerCo puede fabricar hasta 40 GWh anuales de baterías para vehículos eléctricos, con la opción de ampliar la capacidad a 80 GWh al año.

La rápida ampliación de la producción de QuantumScape parece estar vinculada a Cobra, el equipo de nueva generación de la empresa para fabricar separadores de baterías de estado sólido, un avance en la producción de cerámica.

En conjunto, se preveía integrar Cobra en la producción en 2025 y fabricar en 2026 el primer vehículo eléctrico terminado con baterías de QuantumScape.

Fuente: QuantumScape

Esto podría marcar un punto de inflexión para la empresa: 16 años después de su fundación, pasaría de ser una startup prometedora con propiedad intelectual interesante a generar ingresos crecientes mediante una alianza con uno de los mayores fabricantes de automóviles del mundo.

Mientras tanto, los inversionistas todavía deben esperar cierta volatilidad en la cotización, aunque ya se vislumbra una salida al largo proceso de desarrollo del producto.

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 de octubre de 2024.}

^{2. Bosun Roy‑Layinde, et al. (2024) Células termofotovoltaicas de puente de aire de alta eficiencia. Joule. Volumen 8, número 7, pp. 2135–2145. 17 de julio de 2024.}