Energía
Los investigadores se centran en mejorar las baterías de estado sólido para desbloquear su máximo potencial para smartphones, herramientas y vehículos eléctricos.
Las baterías de estado sólido, que se utilizan en smartphones, herramientas de energía y vehículos eléctricos, difieren de las baterías de iones de litio en su uso de electrolitos. Mientras que una batería de iones de litio utiliza un electrolito líquido, una batería de estado sólido utiliza un electrolito sólido.
En el caso de las baterías de iones de litio, un separador está presente para mantener el cátodo y el ánodo separados. En las baterías de estado sólido, el electrolito sólido juega el papel de separador también.
Aunque estas son simples características distintivas, la comunidad científica y tecnológica desarrolló baterías de estado sólido porque tienen una mayor estabilidad con una estructura sólida y una mayor seguridad. Siguen trabajando en ellas ya que estas baterías mantienen su forma incluso si el electrolito está dañado.
Una batería de estado sólido viene con una mayor densidad de energía y apenas corre el riesgo de explosión o incendio. Dado que no requiere el apoyo de componentes de seguridad, hay más espacio disponible para insertar materiales activos, lo que aumenta la capacidad de la batería. La mayor densidad de energía también garantiza que la necesidad de baterías sea baja, lo que resulta en un sistema de batería óptimo para el módulo y el paquete.
Por estos beneficios, principalmente, los expertos del mercado creen que las baterías de estado sólido surgirán como un elemento clave para hacer que los vehículos eléctricos compitan con los vehículos de combustión interna y, eventualmente, se adelanten en la carrera. Pero eso no detiene a los investigadores de explorar cómo las baterías de estado sólido podrían ser más útiles. En una investigación, los científicos han planteado el caso de una batería de estado sólido de litio metálico de alta densidad de energía ultradelgada habilitada por un electrolito sólido de tipo granate a prueba de Li2CO3.
Mientras que todo esto puede sonar demasiado técnico, en la siguiente sección, profundizamos más en la comprensión de lo que la investigación pretende lograr.
Habilitar una plataforma de batería de estado sólido de litio metálico ultradelgada con alta estabilidad y densidad de energía
El profesor Byoungwoo Kang y el Dr. Abin Kim del Departamento de Ciencia y Ingeniería de Materiales de POSTECH desarrollaron un electrolito sólido que habilita una plataforma de batería de estado sólido de litio metálico ultradelgada con alta estabilidad y densidad de energía.
El avance logrado resultados al resolver una de las causas de preocupación más comunes que enfrentan las baterías de estado sólido. ¿Cuál era el problema y cómo se podría resolver? Echemos un vistazo más profundo a continuación.
La preocupación de LLZO
El electrolito sólido de tipo granate utilizado en las baterías de estado sólido, que también se conoce como Li7La3Zr2O12 o LLZO, tiene una alta conductividad iónica. Al mismo tiempo, es altamente reactivo y forma una capa de contaminación (Li2CO3) en su superficie cuando se expone al aire. Esta capa viene con varias desventajas o obstáculos, incluida la formación de una barrera resistiva en la construcción de la celda, la reducción en el contacto y las propiedades interfaciales de los electrolitos y los reactantes, etc.
La innovación abordó este obstáculo y lo convirtió en una oportunidad al centrarse en los aspectos esenciales inherentes en lugar de trabajar en una solución externa. Los investigadores desarrollaron una tecnología de LLZO manejable en el aire (AH-LLZO) que podría mejorar simultáneamente las propiedades de superficie y internas de LLZO y prevenir la formación de capas de contaminación.
Lograron su objetivo al desarrollar un nuevo compuesto hidrofóbico (Li-Al-O) en la superficie y dentro del material. Este compuesto evitó que la contaminación se extendiera internamente al hacer que la capa reaccionara solo con la humedad del aire.
La capa como solución con propiedades de contacto y humectabilidad mejoradas también se tradujo en el desarrollo de baterías de estado sólido de litio ultradelgadas, aproximadamente una décima parte del grosor de un cabello humano.
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¿Por qué se considera la investigación un avance?
Los resultados han llevado a un escenario en el que es posible preparar capas de litio metálico ultradelgadas, lo que resulta en una relación de capacidad mínima del ánodo al cátodo, alrededor de 0,176 en baterías de estado sólido.
El experimento también permite una reducción significativa en la cantidad de litio metálico utilizada, lo que reduce el peso y el volumen de la batería en general y mejora significativamente la densidad de energía.
Si se implementa, la investigación y sus hallazgos permitirían el almacenamiento en el aire sin la necesidad de manipulación o instalaciones especiales. Además de simplificar todo el proceso, la innovación conduce a la producción de electrolitos sólidos de tipo granate con una mayor usabilidad práctica.
Al hablar sobre el futuro, el profesor Byoungwoo Kang comentó:
“Seguiremos trabajando en baterías de estado sólido de litio metálico ultradelgadas que puedan lograr una alta seguridad y una alta densidad de energía”.
La investigación muestra que centrarse en los aspectos esenciales puede ayudarnos a convertir las desventajas de un producto en sus fortalezas. Las empresas y entidades comerciales están invirtiendo en investigación y recursos para hacer que las baterías de estado sólido sean más conducentes y beneficiosas para los automóviles del futuro. En las siguientes secciones, exploramos dichas empresas y sus innovaciones.
#1. Solid Power
Una empresa que está haciendo un trabajo excepcional en este campo es Solid Power. Sus baterías de estado sólido ofrecen alta energía, seguridad mejorada, vida útil más larga y beneficios de costo significativos.
Permite el uso de electrodos de mayor capacidad como silicio de alto contenido y litio metálico, al mismo tiempo que mejora los estándares de seguridad al eliminar los componentes líquidos y gel reactivos y volátiles.
El resultado es evidente en baterías que pueden soportar y funcionar de manera eficiente en temperaturas extremadamente altas. La empresa afirma que sus productos tienen una ventaja de costo del 15-35% sobre los paquetes de iones de litio.
La cartera de baterías de estado sólido de Solid Power incluye tres productos principales: celdas de vehículos eléctricos de silicio, celdas de litio metálico y celdas de reacción de conversión.
Celda de vehículo eléctrico de silicio
Tiene un ánodo de silicio de alto contenido, lo que resulta en tasas de carga altas y capacidades de temperatura más bajas. La solución está impulsada por electrolitos sólidos de sulfuro basados en la propiedad exclusiva de Solid Power. Utiliza catodos de NMC estándar de la industria, maduros comercialmente.
Litio metálico
El producto deriva su nombre de sus ánodos de litio metálico de alta energía. Tiene una capacidad ligeramente mejor que la celda de vehículo eléctrico de silicio, que tiene una especificación de 390 Wh/kg, mientras que la celda de litio metálico tiene 440 Wh/kg.
Celda de reacción de conversión
Entre todos los productos de la cartera de Solid Power, tiene la mayor capacidad de rendimiento de 560 wh/kg. Su singularidad radica en el catodo de tipo de conversión de ultra bajo costo y alta energía específica.
Con sede en Colorado, Estados Unidos, Solid Power cree firmemente en la capacidad de transformación de sus baterías. Cree que sus celdas de batería de estado sólido satisfarán los requisitos de volumen y costo de los OEM.
(SLDP )
En su última presentación de inversores disponible, la empresa (Nasdaq: SLDP) afirma ser el único desarrollador de baterías de estado sólido puro que ha recaudado 700 millones de dólares estadounidenses hasta la fecha. La empresa prospera en su historia de inversión en investigación y desarrollo de más de una década, que ha dado como resultado casi 50 familias de patentes globales y tres socios de desarrollo de la industria (BMW, Ford, SK On).
#2. QuantumScape
QuantumScape, otro actor importante en el campo, declara que está en una misión para “transformar el almacenamiento de energía con tecnología de batería de litio metálico de estado sólido”. También afirma habilitar “una mayor densidad de energía, una carga más rápida y una mayor seguridad” – las tres cualidades básicas que la investigación de POSTECH también se centra.
Una de las características más destacadas de QuantumScape es que ha desarrollado el primer diseño de celda sin ánodo de la industria, lo que resulta en una alta densidad de energía con costos de materiales reducidos y una fabricación simplificada.
La plataforma de tecnología de QuantumScape utiliza una variedad de químicas de cátodo para mejorar significativamente las densidades de energía de las celdas de batería basadas en NMC y LFP actuales. Sus esfuerzos garantizan la optimización para diversas aplicaciones de almacenamiento de energía y mantienen el campo listo para aprovechar los avances futuros en la química del cátodo.
Otra característica exclusiva de la empresa es su material de separador, que está hecho de cerámica que ofrece alta conductividad, estabilidad al litio metálico, resistencia a la formación de dendritas y baja impedancia interfacial. Otra ventaja de usar cerámica es que viene con una mayor seguridad ya que es incombustible y, por lo tanto, más segura que los separadores de polímero convencionales que contienen hidrocarburos y son más propensos a arder.
QuantumScape tiene como objetivo 800-1,000 Wh/L con sus celdas de litio metálico de estado sólido.
(SLDP )
Desde el punto de vista financiero, QuantumScape (NYSE: QS) cuenta con más de 2,000 millones de dólares en inversiones de capital. Tiene más de 300 patentes y solicitudes de patente.
El futuro de las baterías de estado sólido
Las baterías de estado sólido ya no son una tecnología del futuro, ya que el futuro ya ha llegado. Muchas investigaciones de vanguardia de los mejores institutos están avanzando en su causa todos los días.
En enero de 2024, por ejemplo, los investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard (SEAS) presentaron una batería de estado sólido con un ánodo de litio metálico capaz de entregar 6,000 ciclos de carga/descarga, significativamente más que cualquier otra celda de batería de paquete en el mercado.
La investigación es similar a la que citamos al comienzo de nuestro artículo, ya que los investigadores de Harvard también abordaron el problema familiar de la formación de dendritas en la superficie del ánodo.
Además de las empresas especializadas que hemos discutido, incluidas Solid Power y QuantumScape, también hay grandes empresas involucradas en este campo. Por ejemplo, en octubre de 2023, Toyota e Idemitsu Kosan anunciaron una asociación para desarrollar baterías de estado sólido para vehículos eléctricos.
La visión que impulsó esta colaboración fue ambiciosa, por decir lo menos. Dijo lo siguiente en el comunicado de prensa:
“A través de esta colaboración, las dos empresas, que lideran el mundo en los campos que incluyen el desarrollo de materiales relacionados con las baterías de estado sólido, buscan garantizar la comercialización exitosa de las baterías de estado sólido en 2027-28, como se anunció en el Taller Técnico de Toyota en junio de 2023, seguido de una producción en masa a gran escala”.
Otra empresa que decidió dar un gran salto en este área fue Honda. La empresa ha estado activa en este espacio durante bastante tiempo. En enero de 2024, las autoridades de Honda dijeron que estaban apuntando a una reducción del 50% en el peso, o, para decirlo de otra manera, un aumento del 50% en la densidad de energía por peso.
El CEO de Honda, Toshihiro Mibe, explicó que si Honda quería crear un automóvil que cueste $30,000, podría considerar baterías de estado sólido porque los costos de la batería disminuirían, el rango aumentaría y el sistema de enfriamiento podría simplificarse.
Sin embargo, los esfuerzos globales para hacer que las baterías de estado sólido sean más robustas y seguras aún enfrentan algunos desafíos. El objetivo es optimizar sus propiedades básicas, incluida la seguridad, la estabilidad, el rendimiento de energía y la eficiencia de almacenamiento electroquímico. Los obstáculos, por otro lado, incluyen la viabilidad de rendimiento a largo plazo, la viabilidad económica y la entrega precisa de estándares de potencia específicos.
Si nos adentramos más, veremos que los desafíos también incluyen un rendimiento de ciclo inadecuado en las baterías de estado sólido actuales (SSB) debido a la degradación de materiales en ánodos, cátodos y electrolitos. El Consejo de Investigación Automotriz de los Estados Unidos ha establecido un objetivo de vida útil de la batería de 10 años con 1000 ciclos a una profundidad de descarga del 80%.
Lo que evita que las baterías de estado sólido logren con frecuencia este objetivo es la formación de capas de carga, que conduce a una cinética interfacial lenta y una alta impedancia, y el crecimiento de dendritas, que causa cortocircuitos y peligros para la seguridad.
Sin embargo, hay soluciones para estos desafíos. Los fabricantes deberían centrarse en producir baterías de estado sólido de alta densidad de energía y mejoras. Después de todo, estos productos tienen una alta estabilidad térmica, lo que elimina las preocupaciones de seguridad incluso a temperaturas superiores a 200 °C, mientras que los electrolitos líquidos pueden suponer amenazas a solo 70 °C. Los electrolitos de estado sólido pueden ofrecer operación sin fugas y impartir una mayor estabilidad electroquímica que sus contrapartes líquidas.
Los electrolitos de estado sólido también son más deseables ya que pueden reducir la disminución de la capacidad y los cortocircuitos internos. Su alta conductividad iónica y baja conductividad electrónica también garantizan que los vehículos se carguen más rápido.
Según las estimaciones de QuantumScape, un vehículo que obtiene alrededor de 350 millas de autonomía con una sola carga utilizando una de las celdas de iones de litio tradicionales de hoy en día con una densidad de energía de ~700 Wh/L podría obtener entre 400 y 500 millas de autonomía utilizando las celdas de estado sólido de QuantumScape.
En general, las baterías de estado sólido son imperativas para la movilidad futura. Deben ser eficientes, seguras, rentables y duraderas.
