Tecnología de baterías de estado sólido para autos eléctricos: desafíos por delante

La frase "lo que hay debajo del capó" se está volviendo obsoleta rápidamente. Para los automóviles propulsados ​​por combustión interna, el motor suele ser el factor más importante en el rendimiento general del automóvil. Pero hoy, con los vehículos eléctricos en primer plano, esa pregunta es discutible, y no solo porque lo que generalmente hay debajo de sus capós es una variedad de componentes no tradicionales y tal vez un poco de almacenamiento.

Para los consumidores de hoy que contemplan la compra de un vehículo eléctrico, el componente más importante es la batería. Todos los vehículos eléctricos del mercado masivo de hoy dependen de paquetes de baterías de iones de litio para alimentar los motores eléctricos que los hacen funcionar. (Aunque la química a veces es diferente, el litio sigue siendo el elemento clave). Esas baterías son grandes y pesadas, y a menudo ocupan todo el piso del automóvil; algunos incluso engullen partes de la cajuela y el túnel de transmisión también.

Las baterías de hoy en día también son sensibles a las temperaturas extremas, todavía se cargan lentamente en relación con los llenados de gas, se degradan con el tiempo y pueden convertirse en infiernos terriblemente intensos. Aunque el diseño de las baterías de iones de litio ha mejorado mucho en los últimos años (haciendo que las celdas individuales exploten mucho menos), su estructura fundamental significa que el fuego siempre será un riesgo.

Pero hay un nuevo tipo de batería en desarrollo que podría revolucionar el rendimiento de los vehículos eléctricos, dando como resultado paquetes que ofrecen más energía con un peso reducido y con menos riesgo de explosión. Se llaman baterías de estado sólido y, aunque tienen mucho potencial, todavía hay una serie de obstáculos que superar antes de que salgan al mercado.

Para comprender qué hace que las baterías de estado sólido sean diferentes, tendremos que ser un poco técnicos. Así que abróchate el cinturón, pero trataremos de mantener esto ligero.

Casi todas las baterías, incluidas las baterías tradicionales de iones de litio y las baterías de estado sólido (que también utilizan iones de litio como elemento químico central), comparten la misma arquitectura básica. Por un lado está el cátodo, que sirve como terminal positivo cuando se descarga. Por otro lado vive el ánodo, que es el terminal negativo. Lo que sucede internamente varía según el tipo de batería, pero en general, una reacción hace que los electrones fluyan de un lado al otro, creando un circuito y alimentando su teléfono, reloj, automóvil o lo que sea.

Las baterías de iones de litio en su teléfono inteligente o EV están diseñadas para ser lo más pequeñas posible, por lo que el ánodo y el cátodo están uno al lado del otro, a veces incluso enrollados entre sí en el caso de las baterías cilíndricas. Dejar que estos dos componentes se toquen provocaría un cortocircuito eléctrico, lo cual es una muy mala noticia. Entonces, para mantener las cosas separadas, se intercala una membrana llamada separador. Suele ser una fina película de plástico.

Pero para que la batería funcione, los iones deben fluir del ánodo al cátodo, o viceversa, dependiendo de si la batería está proporcionando energía o recargándose. ¿Cómo consigues que fluyan a través de un separador de plástico? Utiliza una solución de electrolito líquido y se asegura de que el separador sea lo suficientemente poroso para permitir que fluya.

En una batería de estado sólido, es conceptualmente la misma estructura básica: ánodo y cátodo con un separador en el medio. Sin embargo, en este caso el separador es el electrolito, un material sólido, a menudo cerámico, que permite el flujo de iones directamente.

Suena como un cambio menor, pero tiene enormes implicaciones, tanto positivas como negativas. Antes de analizar los desafíos, repasemos algunas ventajas del estado sólido.

La densidad de energía de una batería es la cantidad de electricidad real que puede generar para un peso o volumen determinado. Esto es clave porque una batería con mayor densidad significa menos peso, lo que en realidad podría aumentar el alcance de un EV incluso si la salida eléctrica de la batería permanece igual.

"A medida que avanza hacia las baterías de estado sólido, la razón por la que son tan útiles y la razón por la que obtiene este beneficio de rendimiento superior de ellas es que permiten el uso de ánodos de mayor densidad de energía", dijo Rory McNulty, coautor del Informe sobre baterías de metal de litio y de estado sólido de Benchmark Mineral Intelligence. McNulty dice que este aumento podría significar baterías que son tres veces más densas en energía que las celdas de iones de litio actuales.

Para poner eso en perspectiva, en promedio, un paquete de baterías de 80 kilovatios-hora en un EV hoy pesa alrededor de 1,000 libras. Con tres veces la densidad, un paquete de estado sólido de 80 kWh pesaría solo 333 libras. Menos peso en un EV significa más alcance.

"Las baterías de estado sólido, en términos generales, dependiendo de qué tan delgado pueda obtener el electrolito, deberían poder cargarse mucho más rápido que las baterías de iones de litio [de electrolito líquido de hoy]. Sin las preocupaciones de seguridad", dijo McNulty.

Las proyecciones específicas para los paquetes de baterías de estado sólido están por todas partes, pero muchas nuevas empresas de estado sólido estiman una carga completa en aproximadamente 10 a 15 minutos. Una carga completa en las típicas baterías de iones de litio de hoy en día lleva fácilmente una hora o más con un cargador rápido.

En condiciones normales, un EV equipado con baterías de iones de litio es perfectamente seguro. Sin embargo, si una batería comienza a calentarse demasiado debido a daños o carga incorrecta, puede iniciar una reacción en cadena. ¿Esos electrolitos líquidos que llenan las baterías? Bueno, son muy inflamables.

"Cuando una batería entra en lo que se llama fuga térmica, se producen reacciones con ese líquido", dijo McNulty. "Esas reacciones en cadena generan mucho calor, lo que luego acelera aún más las reacciones y provoca un incendio".

Con las baterías de estado sólido, no hay electrolitos líquidos, por lo que incluso cuando se carga a velocidades increíbles, el riesgo de incendio se mantiene bajo.

La construcción de una batería de iones de litio puede ser un proceso largo. Después de que se construye la celda, hay una fase de llenado y acondicionamiento donde se aplica el electrolito líquido. "La batería se carga y descarga suavemente, con cuidado, permitiendo que los electrodos formen su capa protectora, casi como una preparación para que la batería entre en su vida normal", dijo McNulty. "Ahora, con un separador de estado sólido, no necesita esos pasos, por lo que elimina hasta tres semanas de tiempo de procesamiento de su línea de fabricación".

En una era de fabricación rápida y logística de suministro justo a tiempo, tomar tres semanas del proceso de fabricación general de un automóvil sería enorme.

Todo eso suena genial, y no es de extrañar que haya docenas de nuevas empresas trabajando para llevar baterías de estado sólido al mercado, muchas con grandes fondos de los principales fabricantes de equipos originales y proyecciones optimistas de lanzamientos de productos para 2025. Sin embargo, eso puede ser optimista. Veamos algunos de los obstáculos.

Aunque los componentes internos de las baterías varían según la construcción, el litio es un factor clave en la mayoría. A nivel mundial, los precios del litio se han triplicado solo en el último año, y eso a pesar de que la producción mundial de litio se ha triplicado en los últimos cinco años. Hay, simplemente, una escasez global de las cosas.

El problema es que las baterías de estado sólido en realidad podrían usar incluso más litio que los paquetes de iones de litio actuales. ¿Recuerda esos ánodos de mayor densidad mencionados anteriormente? Es probable que estén hechos de metal de litio puro. "Ahora, el metal de litio puede aumentar la energía específica de su batería hasta tres veces, pero viene como litio puro, lo que significa que la intensidad del litio también aumenta", dijo McNulty, y señaló que esto exacerbará la escasez de litio.

"Va a ser entre cinco y 10 veces la cantidad de litio para la misma batería", dijo el Dr. Jordan Lindsay, gerente de investigación e innovación de Minviro, una consultora del Reino Unido que cuantifica los impactos ambientales de la producción de materias primas. "Entonces, si puede lograr el reciclaje para eso, genial. Pero si no, ya estamos proyectando dificultades con las cadenas de suministro para el ion de litio normal, por lo que no tengo idea de cómo nos abastecemos de estado sólido".

Según Lindsay, a partir de ahora no hay formas efectivas de reciclar paquetes de estado sólido.

"Uno de los problemas con el estado sólido es que vamos a tener que mejorar en el reciclaje de litio. Actualmente, con las baterías de iones de litio, se puede reciclar bastante bien el níquel, el cobalto y el manganeso: aluminio y cobre de los componentes de la celda". bastante bien", dijo Lindsay. "Pero, el grafito y el litio son el problema. Son el punto de fricción del reciclaje de baterías de circuito cerrado al por mayor. Todavía están trabajando en su eficiencia".

El reciclaje podría ayudar a abordar los problemas de la cadena de suministro, al tiempo que alivia las preocupaciones ambientales, pero a Lindsay le preocupa que no llegue lo suficientemente pronto como para abordar la situación: "Existe una gran criticidad en los materiales, y no creo que se haya abordado con la misma seriedad que antes". podría ser."

Continuó: "Creo que existe este tipo de lucha desordenada para tratar de salir adelante y el lado industrial del reciclaje de baterías porque es realmente importante en términos de LCA [evaluación del ciclo de vida], no necesariamente un impacto ambiental, porque los procesos de reciclaje consumen bastante energía por sí mismas, pero en términos de reducir la tensión en las cadenas de suministro, es esencial. No podremos fabricar todas estas baterías sin reciclarlas".

Actualización rápida: en las baterías de estado sólido, el ánodo y el cátodo están separados por un electrolito sólido. Eso significa baterías más pequeñas y densas y litio puro de mayor densidad para uno de los electrodos.

¿Hasta aquí todo bien, no? Bueno, los investigadores han estado detectando un problema, uno que también afecta a las baterías de iones de litio que alimentan los vehículos eléctricos de hoy en día, especialmente cuando se cargan repetidamente en estaciones de carga rápida de alta potencia. A medida que estas baterías envejecen, la forma del electrodo de litio ha ido cambiando, creciendo de formas extrañas y orgánicas. El litio está formando lo que se llama dendritas, estructuras ramificadas de metal que literalmente crecen hasta convertirse en electrolito sólido.

Eventualmente, esas dendritas crecen lo suficiente como para llegar al otro lado del electrolito, provocando un cortocircuito en el paquete de baterías. Nuevamente, esas son malas noticias. Investigaciones recientes del MIT han determinado que las dendritas se forman debido a tensiones internas dentro de la construcción de la batería. Al aplicar otras tensiones físicas, esos investigadores descubrieron que pueden inhibir el crecimiento de las dendritas. Sin embargo, como estos resultados están recién salidos del laboratorio, podrían pasar años antes de que se pueda aplicar una solución a la fabricación en masa.

Quizás el mayor inconveniente de todos es el costo. Las baterías de estado sólido no solo requieren densidades más altas de metales raros, sino que su técnica de construcción es completamente diferente a la de las celdas de iones de litio actuales. Eso significa nuevas fábricas, nuevos procedimientos y nuevos beneficios de la fabricación a escala que aún se están inventando.

Sin embargo, existe la posibilidad de que estas baterías sean aún más baratas, eventualmente. "La primera comercialización de una batería de estado sólido no será competitiva en costos con las baterías de iones de litio [actuales]; tendrá un costo superior", dijo McNulty. "Pero esos beneficios en seguridad y rango de manejo y ese tipo de cosas probablemente compensarían eso. Es con el tiempo, durante los primeros cinco a 10 años de comercialización, que comenzará a volverse rentable a medida que la tecnología mejore".

Según se informa, algunos fabricantes producirán baterías de estado sólido para automóviles en los próximos años, pero está claro que esto será en una escala extremadamente limitada para comenzar.

"Entonces, si estamos hablando de producción en masa, diría que 2030 es una sugerencia optimista de cuándo los consumidores comenzarán a comprar a gran escala las primeras baterías de estado sólido", dijo McNulty. "Y esos primeros vehículos realmente serán sistemas de banco de pruebas que serán muy costosos. Serán de alto rendimiento, pero creo que la idea de esos vehículos sería acostumbrarse a la tecnología, y no creo que haya querrá construir cantidades significativas de ellos hasta que dominen cómo es la tecnología en la aplicación EV natural".

McNulty dice que 2032 a 2035 es una estimación más realista de cuándo podríamos ver EV de batería de estado sólido en producción en masa. Eso les da a los desarrolladores de baterías alrededor de una década para resolver los problemas de la cadena de suministro y el reciclaje. Pero Lindsay de Minviro es optimista de que también podríamos ser más frugales con la construcción de la batería de nuestro automóvil para entonces: "Suena un poco tonto y simple, pero reducir a la mitad el tamaño de la batería reduciría las cargas de tensión", dijo. "Creo que la conversación tiene que ser sobre reducir a la mitad el tamaño de la batería, hacer baterías que funcionen como la gente las necesita".

Superar su ansiedad por el rango, entonces, podría ser la clave final para hacer que las baterías de estado sólido funcionen.