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Portuguese Batería de estado sólido: el futuro de los vehículos eléctricos
Tabla de contenido
- Batería de estado sólido: el futuro de los vehículos eléctricos
Actualmente, la ansiedad por la autonomía sigue siendo el mayor obstáculo para la sustitución completa de los coches de gasolina por vehículos de nuevas energías a nivel mundial. Si bien muchos fabricantes, como Tesla con su Supercargador V4 y Xpeng con su Supercargador S4, han introducido tecnologías de carga rápida, estas estaciones de carga no solo son caras, sino que también carecen de una amplia cobertura. Para abordar realmente los problemas de autonomía, solo las baterías con alta densidad energética pueden ofrecer una solución.
A la luz de los recientes acontecimientos, en los últimos años China, Japón, Corea del Sur y Europa se han centrado en el desarrollo de semiconductores de estado sólido. baterías con mayor densidad energéticaEn función de la elección del electrolito, estas regiones han adoptado tres caminos tecnológicos distintos:
- Europa: Se centra principalmente en polímeros (con una conductividad de aproximadamente 10-7-10-5 S/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 menor autonomía que las baterías de litio líquido de la misma capacidad.
- Japón y Corea del Sur: Su principal prioridad son los sulfuros (con una conductividad de aproximadamente 10-3-10-2S/cm) como electrolito. Si bien este material presenta una conductividad ideal, su complejo proceso de fabricación y la inclusión de metales raros han dificultado su comercialización.
- China: Se utilizan principalmente óxidos (con una conductividad de aproximadamente 10-6-10-3 S/cm) como electrolito. Dada la rigidez y alta porosidad del material, que pueden dificultar 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 energética de la batería. Como resultado, aunque estas baterías de estado semisólido fabricadas con óxidos se han incorporado en modelos de alta gama por empresas como NIO y Dongfeng, su rentabilidad no ha sido lo suficientemente atractiva como para justificar su producción a gran escala.
Investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, que se alejan de estas tecnologías convencionales, han desarrollado recientemente el oxicloruro de litio y zirconio. En términos de conductividad iónica, deformabilidad y coste, este material supera tanto a los óxidos como a los sulfuros. La aparición del oxicloruro de litio y zirconio podría ofrecer 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 electrolito para impulsar la investigación de baterías de estado sólido. Un actor destacado en este sector es el Grupo francés Bolloré. En 2011, el Grupo Bolloré, primer operador mundial en utilizar baterías de estado sólido en un proyecto de vehículo eléctrico, presentó su vehículo eléctrico de desarrollo propio, Bluecar. Este vehículo estaba equipado con una batería de estado sólido de polímero de litio metálico de 30 kWh, producida por su filial Batscap, 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, solo alcanzaba una autonomía de 120 km. En cambio, el Model 3 de Tesla, equipado con una batería líquida de 60 kWh, puede alcanzar una autonomía de más de 400 km. Haciendo cálculos, un modelo de Tesla equipado con una batería líquida de 30 kWh puede superar los 200 km, superando claramente al Bolloré Bluecar.
La razón principal de la autonomía significativamente reducida de Bluecar en comparación con Tesla, incluso 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 pioneros en Europa en producir baterías de estado sólido en masa, su adopción generalizada sigue siendo difícil. Ante este obstáculo, 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 las baterías para automóviles.
Por ejemplo, Volkswagen realizó una importante inversión en la empresa de baterías de estado sólido QuantumScape, que cotiza en bolsa en EE. UU. A finales de 2014, Volkswagen ya poseía 51.000 millones de acciones de QS. En 2018 y 2020, el Grupo Volkswagen realizó dos inversiones independientes en QS, con una inversión de 1.000 millones de acciones cada una, convirtiéndose en el mayor accionista de la compañía.
Paralelamente, ambas compañías establecieron una empresa conjunta con el objetivo de construir una línea de producción de baterías de estado sólido para 2025. Gracias a un importante respaldo financiero, la tecnología de QuantumScape ha avanzado continuamente. Por ejemplo, las baterías monocapa QS anteriores, a temperatura y presión ambiente, podían mantener 90% de su almacenamiento de energía inicial tras 1000 ciclos de carga a una tasa de 1C. Ahora, en las mismas condiciones, sus baterías multicapa aún pueden conservar 90% de su almacenamiento de energía tras 800 ciclos.
Sin embargo, hasta la fecha, QS no ha lanzado baterías de producción en masa, mientras que las baterías de estado sólido de la competencia están entrando gradualmente en producción en masa, lo que aumenta la presión sobre QS. Actualmente, si bien Europa fue la primera en comercializar baterías de estado sólido, la baja conductividad de los polímeros y la incertidumbre sobre la viabilidad comercial de las empresas en las que invirtieron han frenado su avance en el sector de las baterías de estado sólido.
Gigantes japoneses lideran las patentes de baterías de estado sólido basadas en sulfuro
Los sulfuros, considerados en su momento los electrolitos más prometedores para las baterías de estado sólido, poseen diversas ventajas, como alta conductividad y maleabilidad. Sin embargo, el enfoque tecnológico que los utiliza como electrolitos conlleva un proceso de producción más complejo. Por ejemplo, durante la fabricación, los sulfuros pueden reaccionar con el agua y el oxígeno del aire, produciendo sulfuro de hidrógeno, un gas altamente tóxico. Abordar este problema requiere perfeccionar el proceso de producción, lo que posteriormente incrementa los costos.
Para avanzar en la carrera energética, las empresas japonesas y coreanas de energía limpia han mostrado una clara preferencia por el uso de 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, lo que les ha llevado a acumular una importante cartera de patentes técnicas.
Según datos publicados por Nikkei Chinese Web en colaboración con la empresa de investigación de patentes Patent Result, desde el año 2000 hasta finales de marzo de 2022, las empresas líderes en baterías de energía en cuanto a patentes de baterías de estado sólido divulgadas públicamente fueron Toyota, con 1331 patentes; seguida de Panasonic Holdings, con 445 patentes; y Showa Shell Sekiyu, en tercer lugar, con 272 patentes. Las tres empresas japonesas centran su I+D en baterías de estado sólido basadas en sulfuros, siendo Toyota la más avanzada. 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 una autonomía de 1.200 kilómetros, cargándose en solo 10 minutos, con planes de introducir en el mercado vehículos equipados con estas baterías para 2025. A pesar de la ambición de Toyota de producir en masa vehículos equipados con baterías de estado sólido utilizando sulfuros como electrolito, las complejidades técnicas junto con los altos costos debido al uso de numerosos metales raros podrían obstaculizar la adopción a gran escala.
Actualmente, el precio promedio mundial del electrolito en baterías de iones de litio no supera los $10/kg. En cambio, el precio del electrolito sólido de sulfuro, Li₂S, oscila entre $1500 y $2000/kg. Esto significa que el precio del electrolito de sulfuro es más de 150 veces superior al del electrolito utilizado en baterías de iones de litio.
Desarrollo de baterías de estado sólido en China: los electrolitos de óxido lideran el camino
Las empresas nacionales, siguiendo las tendencias europeas, utilizan principalmente óxidos como electrolito para impulsar la investigación y el desarrollo de baterías de estado sólido. Según datos incompletos, después de 2022, varios fabricantes de automóviles chinos comenzaron a incorporar baterías de estado semisólido en sus modelos. En concreto, modelos como el ES6 de NIO, el E70 de Dongfeng y el Zhui Feng de Lantu incorporan predominantemente baterías con electrolitos de óxido.
Sin embargo, las baterías de estado sólido que emplean óxidos como electrolitos presentan una dureza intrínseca. Dado que las partículas de óxido se presentan en forma de contacto puntual, las baterías de estado sólido resultantes no solo presentan baja maleabilidad, sino también una alta porosidad. Esta textura rígida puede causar fracturas en el electrolito, lo que altera la transmisión de iones. La alta porosidad puede dificultar las vías de transferencia de iones dentro del sistema de la batería. Por consiguiente, para garantizar que las partículas de material activo mantengan un contacto óptimo y una transmisión de iones óptima incluso en caso de 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 rellena los poros, evitando eficazmente los problemas mencionados.
Sin embargo, las baterías de estado sólido que incorporan líquidos, debido a su reducido contenido de electrolitos sólidos, no disfrutan del mismo aumento de densidad energética que las baterías completamente sólidas. Por ejemplo, la batería de estado semisólido del ES6 tiene una densidad energética de 360 Wh/kg. En consecuencia, si bien las baterías de estado semisólido chinas ya se han comercializado, su modesto aumento de densidad energética, su menor conductividad que la del litio líquido y el elevado coste de los electrolitos de óxido podrían relegarlas a productos de transición en la evolución de las baterías.
Cambiando de 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 zirconio. Este innovador electrolito ofrece un rendimiento comparable al de los electrolitos de estado sólido de sulfuro y óxido más avanzados, pero a un coste de tan solo 4%. Sin duda, se trata de un avance revolucionario en el sector chino de baterías de estado sólido.
Esta introducción del oxicloruro de litio y zirconio supone un avance simultáneo en el rendimiento y el coste de los electrolitos de estado sólido. Sin embargo, esta tecnología se encuentra actualmente en fase de laboratorio. Su posible producción a gran escala sigue siendo una incertidumbre significativa. En cualquier caso, el descubrimiento del oxicloruro de litio y zirconio 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 deficiencias inherentes sin soluciones inmediatas a la vista. Esto ha provocado que la producción actual a pequeña escala de baterías de estado sólido no sea tan rentable para la integración en vehículos como sus contrapartes líquidas. Sin embargo, el oxicloruro de litio y zirconio, desarrollado recientemente por investigadores chinos, podría ser un rayo de esperanza, revolucionando potencialmente la industria de las baterías de estado sólido y abordando la ansiedad por la autonomía asociada a las baterías de nueva energía.
