Energía
El trabajo continúa en baterías de estado sólido mientras los investigadores se centran en lo esencial
Las baterías de estado sólido, que se utilizan en teléfonos inteligentes, herramientas eléctricas y vehículos eléctricos, difieren de las baterías de iones de litio en su uso de electrolitos. Mientras que una batería de iones de litio usa un electrolito líquido, una batería de estado sólido usa un electrolito sólido.
En el caso de las baterías de iones de litio, hay un separador presente para mantener separados el cátodo y el ánodo. En las baterías de estado sólido, el electrolito sólido también cumple la función de separador.
Aunque estas son solo características distintivas, la comunidad científica y tecnológica desarrolló baterías de estado sólido porque ofrecen mayor estabilidad gracias a su estructura sólida y mayor seguridad. Continúan trabajando en ellas ya que estas baterías mantienen su forma incluso si el electrolito se daña.
Una batería de estado sólido ofrece una mayor densidad de energía y casi no corre riesgo de explosión o incendio. Como no requiere componentes de seguridad, hay más espacio disponible para insertar materiales activos, aumentando la capacidad de la batería. La mayor densidad de energía también asegura que la necesidad de baterías sea baja, resultando en un sistema de batería óptimo para vehículos eléctricos en el módulo y el paquete.
Por estos beneficios, principalmente, los expertos del mercado creen que las baterías de estado sólido surgirán como un factor decisivo para que los vehículos eléctricos compitan con los vehículos de combustión interna y, eventualmente, avancen en la carrera. Pero eso no impide que los investigadores exploren cómo hacer que las baterías de estado sólido sean más útiles. En una de esas investigaciones, los científicos han planteado el caso de una batería de estado sólido de metal de litio ultra‑delgada y alta densidad de energía, habilitada por un electrolito sólido tipo granate resistente al Li2CO3.
Aunque todo esto pueda sonar demasiado técnico, en el siguiente segmento profundizaremos en la comprensión de lo que la investigación pretende lograr!
Habilitando una plataforma de batería de estado sólido de metal de litio ultra‑delgada con alta estabilidad y densidad de energía
El profesor Byoungwoo Kang y la Dra. Abin Kim del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales en POSTECH desarrollaron un electrolito sólido que permite una plataforma de batería de estado sólido de metal de litio ultra‑delgada con alta estabilidad y densidad de energía.
El avance logró resultados al resolver una de las causas más comunes de preocupación que enfrentan las baterías de estado sólido. ¿Cuál era ese problema y cómo se pudo solucionar? ¡Veamos un análisis profundo a continuación!
La preocupación por el LLZO
El electrolito sólido tipo granate utilizado en baterías de estado sólido, también conocido como Li7La3Zr2O12 o LLZO, tiene alta conductividad iónica. Simultáneamente, es muy reactivo y forma una capa de contaminación (Li2CO3) en su superficie al exponerse al aire. Esta capa conlleva varios inconvenientes o obstáculos, incluyendo la formación de una barrera resistiva en la construcción de la celda, la reducción de las propiedades de contacto e interfaciales de los electrolitos y reactantes, etc.
La innovación abordó este obstáculo y lo dio la vuelta enfocándose en los elementos esenciales inherentes en lugar de buscar una solución externa. Los investigadores desarrollaron una tecnología LLZO manejable en el aire (AH-LLZO) que podría mejorar simultáneamente las propiedades superficiales e internas del LLZO y prevenir la formación de capas contaminantes.
Lograron su objetivo desarrollando un nuevo compuesto hidrofóbico (Li-Al-O) tanto en la superficie como en el interior del material. Este compuesto evitó que la contaminación se propagara internamente al hacer que la capa reaccionara solo con la humedad del aire.
La capa, como solución con propiedades mejoradas de contacto y humectación, también dio lugar al desarrollo de baterías de estado sólido de litio ultra‑delgadas, aproximadamente una décima parte del grosor de un cabello humano.
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¿Por qué se considera que la investigación es un avance?
Los resultados han llevado a un escenario donde es posible preparar capas ultra‑delgadas de metal de litio, resultando en una escasa relación de capacidad del ánodo al cátodo, alrededor de 0,176 en baterías de estado sólido.
El experimento también permite una reducción significativa de la cantidad de metal de litio utilizado, disminuyendo el peso y el volumen total de la batería y mejorando notablemente la densidad de energía.
Si se implementa, la investigación y sus hallazgos permitirían el almacenamiento al aire sin necesidad de manipulación o instalaciones especiales. Además de simplificar todo el proceso, la innovación conduce a la producción de electrolitos sólidos tipo granate con mayor usabilidad práctica.
Al hablar del futuro, el profesor Byoungwoo Kang comentó:
“Continuaremos trabajando en baterías de estado sólido de metal de litio ultra‑delgadas que puedan lograr alta seguridad y alta densidad de energía.”
La investigación muestra que enfocarse en lo esencial puede ayudarnos a convertir las desventajas de un producto en sus fortalezas. Empresas y entidades comerciales están invirtiendo en investigación y recursos para hacer que las baterías de estado sólido sean más adecuadas y beneficiosas para los automóviles del futuro. En los siguientes segmentos, analizaremos esas compañías y sus innovaciones.
#1. Solid Power
Una empresa que realiza un trabajo excepcional en este campo es Solid Power. Sus baterías de estado sólido total ofrecen alta energía, mayor seguridad, vida útil más larga y beneficios de costo significativos.
Permite el uso de electrodos de mayor capacidad como silicio de alto contenido y metal de litio, al tiempo que mejora los estándares de seguridad al eliminar los componentes líquidos y geles reactivos y volátiles.
El resultado es evidente en baterías que pueden resistir y funcionar eficientemente en temperaturas extremadamente altas. La empresa afirma que sus productos tienen una ventaja de costo del 15‑35 % frente a los paquetes de iones de litio.
El portafolio de baterías de estado sólido total de Solid Power incluye tres productos principales: Celdas EV de silicio, celdas de metal de litio y celdas de reacción de conversión.
Celda EV de silicio
Cuenta con un ánodo de alto contenido de silicio, lo que resulta en altas tasas de carga y menores capacidades de temperatura. Los electrolitos sólidos a base de sulfuro patentados por Solid Power impulsan la solución. Utiliza cátodos NMC estándar de la industria y comercialmente maduros.
Metal de litio
El producto toma su nombre de sus ánodos de metal de litio de alta energía. Tiene una capacidad ligeramente mejor que la celda EV de silicio, que tiene una especificación de 390 Wh/kg, mientras que la celda de metal de litio tiene 440 Wh/kg.
Celda de reacción de conversión
Entre todos los productos del portafolio de Solid Power, tiene la máxima capacidad de rendimiento de 560 Wh/kg. Su singularidad radica en el cátodo de tipo conversión de ultra bajo costo y alta energía específica.
Con sede en Colorado, Estados Unidos, Solid Power cree firmemente en la capacidad transformadora de sus baterías. Cree que sus celdas de batería de estado sólido total cumplirían con los requisitos de volumen y costo de los OEM.
(SLDP )
En su última presentación de inversión disponible, la compañía (Nasdaq: SLDP) afirma ser el único desarrollador de baterías de estado sólido puro cotizado en bolsa que ha recaudado US$700 millones hasta la fecha. La empresa se sustenta en su historial de inversión en I+D de más de una década, lo que ha dado lugar a casi 50 familias de patentes globales y tres socios de desarrollo líderes en la industria (BMW, Ford, SK On).
#2. QuantumScape
QuantumScape, otro actor importante en el campo, declara estar en una misión de ‘transformar el almacenamiento de energía con tecnología de baterías de litio‑metal de estado sólido.’ También afirma estar habilitando ‘mayor densidad de energía, carga más rápida y mayor seguridad’, las tres cualidades básicas esenciales en las que también se centra la investigación de POSTECH.
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 alta densidad de energía con costos de material reducidos y fabricación simplificada.
La plataforma tecnológica de QuantumScape utiliza una variedad de químicas de cátodo para mejorar significativamente las densidades de energía de las celdas de batería actuales basadas en Níquel Manganeso Cobalto (NMC) y Fosfato de Hierro y Litio (LFP). Sus esfuerzos garantizan la optimización para diversas aplicaciones de almacenamiento de energía y mantienen el campo preparado para aprovechar los avances futuros en la química de los cátodos.
Otro punto de venta único de la compañía es su material separador, que está hecho de cerámicas que ofrecen alta conductividad, estabilidad al metal de litio, resistencia a la formación de dendritas y baja impedancia interfacial. Otra ventaja de usar cerámica es que brinda mayor seguridad al ser no combustible y, por lo tanto, más segura que los separadores de polímero convencionales que contienen hidrocarburos y son más propensos a quemarse.
QuantumScape trabaja con un objetivo de 800–1 000 Wh/L con sus celdas de litio‑metal de estado sólido.
(SLDP )
Financieramente, QuantumScape (NYSE: QS) cuenta con el respaldo de más de US$2 mil millones en inversiones de capital. Tiene más de 300 patentes y solicitudes de patentes en su haber.
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 institutos de primera clase están impulsando su causa cada día.
En enero de 2024, por ejemplo, investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard (SEAS) presentaron una batería de estado sólido con metal de litio capaz de ofrecer 6 000 ciclos de carga/descarga—significativamente más que cualquier otra celda de batería tipo pouch 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 conocido problema 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 actores involucrados 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 era ambiciosa, por decir lo menos. En el comunicado de prensa se decía lo siguiente:
“A través de esta colaboración, las dos compañías, que lideran el mundo en campos que incluyen el desarrollo de materiales relacionados con baterías de estado sólido total, buscan asegurar la exitosa comercialización de baterías de estado sólido total en 2027‑28 —como se anunció en el Toyota Technical Workshop en junio de 2023 —seguido de una producción masiva a gran escala.”
Otra compañía que decidió dar un gran salto en este área fue Honda. La empresa ha estado activa en este campo durante bastante tiempo. En enero de 2024, las autoridades de Honda dijeron que estaban apuntando a una reducción del 50 % en peso—o, dicho de otra manera, un aumento del 50 % en la densidad de energía por peso.
El CEO de Honda, Toshihiro Mibe, explicó que si Honda quisiera crear un coche que cueste $30,000, podría considerar baterías de estado sólido porque los costos de la batería disminuirían, el alcance aumentaría, y el sistema de refrigeración 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, incluyendo seguridad, estabilidad, rendimiento energético y eficiencia de almacenamiento electroquímico. Los obstáculos, por otro lado, incluyen la viabilidad del rendimiento a largo plazo, la viabilidad económica y la entrega precisa de estándares de potencia específicos.
Si profundizamos, veremos que los desafíos también incluyen un rendimiento de ciclado inadecuado en las baterías de estado sólido actuales (SSB) debido a la degradación del material 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 al 80 % de profundidad de descarga.
Lo que impide que las baterías de estado sólido alcancen a menudo este objetivo es la formación de capas de carga espacial, que conducen a una cinética interfacial lenta y alta impedancia, y el crecimiento de dendritas, que causa cortocircuitos y riesgos de seguridad.
Sin embargo, existen soluciones a estos desafíos. Los fabricantes tendrían que centrarse en producir SSB de alta densidad energética y mejoras. Después de todo, estos productos tienen alta estabilidad térmica, eliminando preocupaciones de seguridad incluso a temperaturas superiores a 200 °C, mientras que los electrolitos líquidos pueden presentar riesgos a poco más de 70 °C. Los electrolitos de estado sólido pueden ofrecer un funcionamiento sin fugas y proporcionar mayor estabilidad electroquímica que sus contrapartes líquidas.
Los electrolitos de estado sólido también son más deseables ya que pueden reducir la pérdida de 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 usando una de las principales celdas de iones de litio tradicionales de hoy con una densidad de energía de ~700 Wh/L podría obtener entre 400 y 500 millas de autonomía usando las celdas de estado sólido de QuantumScape.
En general, las baterías de estado sólido son imprescindibles para la movilidad futura. Deben ser eficientes, seguras, rentables y duraderas.
