Batería de estado sólido: el futuro de los vehículos eléctricos

Actualmente, la ansiedad por la autonomía sigue siendo el mayor obstáculo para la completa sustitución global de los coches de gasolina por vehículos de nueva energía. Aunque muchos fabricantes de automóviles, como Tesla con su Supercharger V4 y Xpeng con su Supercharger S4, han introducido tecnologías de carga rápida, estas estaciones de carga no sólo son caras sino que también carecen de una cobertura generalizada. Para abordar verdaderamente los problemas de autonomía, sólo las baterías con alta densidad de energía pueden ofrecer una solución.

A la luz de los acontecimientos recientes, en los últimos años China, Japón, Corea del Sur y Europa se han centrado en el desarrollo de tecnologías de estado sólido.baterías con mayor densidad de energía. En función de la elección del electrolito, estas regiones han adoptado tres caminos tecnológicos distintos:

• Europa: centrándose principalmente en polímeros (con una conductividad de aproximadamente 10-7-10-5S/cm) como electrolito para baterías de estado sólido. Sin embargo, debido a la baja conductividad de los polímeros, las baterías de estado sólido producidas en masa en Europa ofrecen menos autonomía que las baterías de litio líquido de la misma capacidad.
• Japón y Corea del Sur: Su principal énfasis está en los sulfuros (con una conductividad de aproximadamente 10-3-10-2S/cm) como electrolito. Si bien este material cuenta con una conductividad ideal, su complejo proceso de fabricación y la inclusión de metales raros han dificultado su comercialización.
• China: Recurriendo predominantemente a óxidos (con una conductividad de alrededor de 10-6-10-3S/cm) como electrolito. Dada la rigidez y la alta porosidad del material, que puede impedir el flujo fluido de iones, la tecnología actual requiere la inclusión de un electrolito, lo que produce una batería de estado semisólido. Sin embargo, esto reduce la densidad de energía de la batería. Como resultado, aunque empresas como NIO y Dongfeng han incorporado estas baterías de estado semisólido hechas de óxidos en modelos de alta gama, su rentabilidad no ha sido lo suficientemente sorprendente como para justificar una producción a gran escala.

Saliendo de estas vías tecnológicas convencionales, investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China han desarrollado recientemente oxicloruro de litio y circonio. En términos de conductividad iónica, deformabilidad y costo, este material supera tanto a los óxidos como a los sulfuros. La llegada del oxicloruro de litio y circonio podría proporcionar a la industria una solución innovadora y lista para usar.

Pioneros europeos: la incursión del grupo Bolloré en la tecnología de baterías de estado sólido

Las empresas europeas de energía limpia emplean principalmente polímeros como electrolitos en su intento de impulsar la investigación sobre baterías de estado sólido. Un actor destacado en este espacio es el grupo francés Bolloré. En 2011, el Grupo Bolloré, como primer operador del mundo en utilizar baterías de estado sólido en un proyecto de vehículo eléctrico, presentó su vehículo eléctrico desarrollado internamente, Bluecar. Este vehículo estaba equipado con una batería de estado sólido de polímero de litio metálico de 30 kWh producida por su filial Batscap y con una autonomía de 120 km.

Sin embargo, cabe destacar que la batería de estado sólido de polímero de litio metálico del Grupo Bolloré, con una capacidad de 30 kWh, sólo alcanzaba una autonomía de 120 km. Por el contrario, el Model 3 de Tesla, equipado con una batería líquida de 60 kWh, puede alcanzar una autonomía de más de 400 km. Haciendo cuentas, un modelo de Tesla equipado con una batería líquida de 30 kWh puede superar una autonomía de 200 km, superando claramente al Bolloré Bluecar.

La razón clave de la autonomía significativamente reducida de Bluecar en comparación con Tesla, incluso cuando está equipado con baterías de la misma capacidad, es la baja conductividad de las baterías de estado sólido que utilizan polímeros como electrolito. Esta limitación también subraya por qué, a pesar de ser el primero en Europa en producir baterías de estado sólido en masa, su adopción generalizada sigue siendo difícil de alcanzar. Ante este cuello de botella, otras importantes empresas europeas de energía limpia han buscado estrategias alternativas: asociarse con empresas líderes mundiales en baterías de estado sólido para mantener una ventaja competitiva en el futuro sector de baterías para automóviles.

Por ejemplo, Volkswagen invirtió mucho en la empresa de baterías de estado sólido QuantumScape, que cotiza en bolsa en Estados Unidos. A finales de 2014, Volkswagen ya poseía el 5% de las acciones de QS. En 2018 y 2020, el Grupo Volkswagen realizó dos inversiones separadas en QS, aportando 300 millones de dólares cada vez, convirtiéndose en el mayor accionista de la compañía.

Paralelamente, ambas empresas también establecieron una empresa conjunta con el objetivo de construir una línea de producción de baterías de estado sólido para 2025. Con un importante respaldo financiero, la tecnología de QuantumScape ha avanzado continuamente. Por ejemplo, las baterías QS de una sola capa anteriores, a temperatura y presión ambiente, podían mantener el 90% de su almacenamiento de energía inicial después de 1.000 ciclos de carga a una velocidad de 1C. Ahora, en las mismas condiciones, sus baterías multicapa aún pueden retener el 90% de su almacenamiento de energía después de 800 ciclos.

Sin embargo, hasta la fecha, QS no ha lanzado baterías producidas en masa, mientras que las baterías de estado sólido de la competencia están entrando gradualmente en la producción en masa, lo que aumenta la presión sobre QS. Tal como están las cosas, aunque Europa fue la primera en comercializar baterías de estado sólido, la baja conductividad de los polímeros y las incertidumbres que rodean la viabilidad comercial de las empresas en las que invirtieron han frenado su avance en el ámbito de las baterías de estado sólido.

Gigantes japoneses lideran las patentes de baterías de estado sólido a base de sulfuro

Los sulfuros, alguna vez promocionados como los electrolitos más prometedores en baterías de estado sólido, poseen varias ventajas, como alta conductividad y maleabilidad. Sin embargo, el enfoque tecnológico de utilizar sulfuros como electrolitos conlleva un proceso de producción más complejo. Por ejemplo, durante el proceso de fabricación, los sulfuros pueden reaccionar con el agua y el oxígeno del aire, produciendo gas altamente tóxico de sulfuro de hidrógeno. Para abordar este problema es necesario perfeccionar el proceso de producción, lo que posteriormente aumenta los costos.

Para dar un salto adelante en la carrera energética, las empresas de energía limpia japonesas y coreanas han mostrado una clara preferencia por utilizar sulfuros como electrolito en sus baterías de estado sólido. Esta complejidad en los procedimientos tecnológicos ha obligado a estas empresas a intensificar su investigación en el ámbito de las baterías de estado sólido, llevándolas a acumular una importante cartera de patentes técnicas.

Según datos divulgados por Nikkei Chinese Web en colaboración con la empresa de investigación de patentes Patent Result, desde 2000 hasta finales de marzo de 2022, las principales empresas de baterías eléctricas en términos de patentes de baterías de estado sólido divulgadas públicamente fueron Toyota, con 1.331 patentes; seguida de Panasonic Holdings con 445 patentes; y Showa Shell Sekiyu ocupa el tercer lugar con 272 patentes. Las tres empresas japonesas centran su investigación y desarrollo en baterías de estado sólido a base de sulfuro, siendo Toyota la más avanzada. Ya el 22 de junio de 2017, Toyota había solicitado una patente estadounidense para una batería de estado sólido que utiliza sulfuros como electrolito.

Recientemente, Toyota reveló a los medios que ha desarrollado una batería de estado sólido capaz de recorrer 1.200 kilómetros, cargándose en sólo 10 minutos, y tiene previsto introducir en el mercado vehículos equipados con estas baterías en 2025. A pesar de la ambición de Toyota de masificar -producir vehículos equipados con baterías de estado sólido utilizando sulfuros como electrolito, las complejidades técnicas unidas a los elevados costes derivados del uso de numerosos metales raros podrían obstaculizar su adopción a gran escala.

Actualmente, el precio medio mundial del electrolito de las baterías de iones de litio no supera los 10 dólares el kilo. En contraste, el material primario para el electrolito sólido de sulfuro, Li2S, oscila entre $1,500 y $2,000/kg. Esto significa que el electrolito de sulfuro cuesta más de 150 veces el precio del electrolito utilizado en las baterías de iones de litio.

Desarrollo de baterías de estado sólido en China: los electrolitos de óxido lideran el camino

Las empresas nacionales, reflejando las tendencias europeas, utilizan principalmente óxidos como electrolitos para impulsar la investigación y el desarrollo de baterías de estado sólido. Según datos incompletos, a partir de 2022, varios fabricantes de automóviles chinos comenzaron a incorporar baterías de estado semisólido en sus modelos. Específicamente, modelos como el ES6 de NIO, el E70 de Dongfeng y el Zhui Feng de Lantu cuentan predominantemente con baterías con electrolitos a base de óxido.

Sin embargo, las baterías de estado sólido que emplean óxidos como electrolitos exhiben una dureza intrínseca. Dado que las partículas de óxido existen en forma de contacto puntual, las baterías de estado sólido resultantes no sólo poseen una mala maleabilidad sino que también presentan una alta porosidad. Esta textura rígida puede provocar fracturas de electrolitos, interrumpiendo la transmisión de iones. La alta porosidad puede impedir las vías de transferencia de iones dentro del sistema de batería. En consecuencia, para garantizar que las partículas de material activo mantengan un contacto y una transmisión de iones óptimos incluso cuando se producen grietas o roturas, las baterías de estado sólido con electrolitos de óxido son naturalmente adecuadas para un formato híbrido sólido-líquido. Este diseño híbrido integra tanto la capa de electrolito de óxido sólido como un electrolito líquido que llena los poros, evitando eficazmente los problemas antes mencionados.

Sin embargo, las baterías de estado sólido que incorporan líquidos, debido a su contenido reducido de electrolitos sólidos, no disfrutan del mismo aumento de densidad de energía que las baterías completamente sólidas. Por ejemplo, la batería de estado semisólido del ES6 tiene una densidad de energía de 360wh/kg. Como resultado, si bien las baterías chinas de estado semisólido han logrado su comercialización, su modesto aumento de densidad de energía, su menor conductividad que el litio líquido y el elevado costo de los electrolitos de óxido podrían relegarlas a productos de transición en la evolución de las baterías.

Cambiando nuestro enfoque, el reciente avance de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China presenta un novedoso electrolito de estado sólido: el oxicloruro de litio y circonio. Este electrolito innovador presenta un rendimiento comparable al de los electrolitos de estado sólido de óxido y sulfuro más avanzados, pero a solo un 4 % del costo de estos últimos. Sin lugar a dudas, se trata de un avance revolucionario en el sector chino de baterías de estado sólido.

Esta introducción del oxicloruro de litio y circonio supone avances simultáneos en los aspectos de rendimiento y coste de los electrolitos de estado sólido. Sin embargo, esta tecnología se encuentra actualmente en fase de laboratorio. Sigue siendo una gran incertidumbre si se podrá producir a gran escala. De todos modos, el descubrimiento del oxicloruro de litio y circonio tiene profundas implicaciones para la comercialización de baterías de litio de estado sólido.

En el escenario actual, los tres electrolitos principales de las baterías de estado sólido (polímeros, óxidos y sulfuros) presentan fallas inherentes sin soluciones inmediatas a la vista. Esto ha llevado a que la actual producción a pequeña escala de baterías de estado sólido no sea tan rentable para la integración en vehículos como sus homólogas líquidas. Sin embargo, el oxicloruro de litio y circonio desarrollado recientemente por investigadores chinos podría arrojar un rayo de esperanza, revolucionando potencialmente la industria de las baterías de estado sólido y abordando la ansiedad por el alcance asociada con las baterías de nueva energía.