Por Diego Gutiérrez
La popularización de los coches eléctricos a nivel mundial traerá consigo una verdadera carrera tecnológica en la que las baterías atraparán la mayor parte de los recursos. El objetivo último es conseguir baterías mejores que las actuales y a menor coste. Aunque esto no ha hecho más que empezar, la mayoría de grandes fabricantes de automóviles ya están empezando a invertir en la próxima generación de baterías, las baterías de estado sólido, que prometen mayor autonomía, cargas más rápidas y una mayor seguridad ya que su electrolito no es inflamable. Todo parece idílico, pero todavía existen inconvenientes para llevarlas a producción. Vamos a repasar los pros y los contras de las baterías de estado sólido, también conocidas como baterías de electrolito sólido.
Este 2021 será el primer año en que los coches eléctricos superen el 10% de cuota de mercado en Europa. Aunque sus ventas no paran de crecer, todavía representan una proporción relativamente pequeña dentro del mercado total de turismos nuevos. No obstante, creo que a estas alturas nadie negará que son el futuro de la movilidad, y los fabricantes de coches están invirtiendo ingentes cantidades de dinero en desarrollar gamas completas de modelos eléctricos, en adaptar las fábricas existentes y construir plantas nuevas, y también en la investigación y el desarrollo de baterías, incluidas las de estado sólido. No solamente están estableciendo alianzas, en algunos casos están directamente adquiriendo startups dedicadas a esta tecnología.
En este sentido, el fabricante chino Nio es el más atrevido del lugar al anunciar que será capaz de ofrecer esta tecnología a finales de 2022. El tiempo dirá si consigue cumplirlo o no, aunque parece difícil a merced de los plazos que maneja el resto de la industria. Toyota y Volkswagen dicen que tendrán coches eléctricos con batería de estado sólido en 2025. Stellantis hará lo propio en 2026, misma fecha que da BMW. Renault-Nissan «después de 2026», Daimler en 2028 y el grupo Hyundai-Kia ha dicho que no pondrá estas baterías en la calle al menos hasta 2030.
Un investigador sostiene celdas de Solid Power con tecnología All-Solid-State Platform.
Las ventajas de las baterías de estado sólido son muchas, entre ellas una reducción del coste respecto a las baterías actuales que pueden ser un factor determinante para hacer que los coches eléctricos sean, por un lado, más asequibles para los compradores; y por otro, más rentables para los fabricantes. Según Bloomberg NEF, cuando se produzcan a gran escala, las baterías de estado sólido podrán fabricarse por un 40% del coste de las actuales baterías de iones de litio con electrolito líquido. Dicho de otra forma: menos de la mitad.
No obstante, conviene ser cautelosos a este respecto ya que todavía hay que superar una serie de obstáculos técnicos de gran importancia. Entre ellos, las altas temperaturas necesarias para su buen funcionamiento, la durabilidad del electrolito sólido y los problemas para fabricarlas a gran escala. Consecuencia de estos inconvenientes, expertos sobre el tema prevén que las baterías de estado sólido tardarán en popularizarse de verdad. The Faraday Institution, uno de los centros de investigación sobre baterías más importantes del Reino Unido, prevé que en el año 2030 las baterías de estado sólido apenas supondrán un 4% de cuota en el mercado de vehículos eléctricos -prácticamente la mitad que en la electrónica de consumo-, aumentando hasta el 30% en el año 2040.
La misma institución dice que la investigación en baterías de estado sólido es una inversión «a largo plazo y de alto riesgo», pero también tiene el potencial para ofrecer una «alta recompensa». Una de esas «altas recompensas» que promete esta tecnología es una densidad energética mucho mayor, hasta un 70% más de energía por unidad de volumen en comparación las baterías actuales de electrolito líquido. Esto se traduce en baterías menos voluminosas y menos pesadas, resolviendo buena parte del problema de sobrepeso que tienen los coches eléctricos en comparación con los de combustión. Sajjad Khan, CTO de Mercedes-Benz, va más allá y cree que las baterías de estado sólido «duplicarán la capacidad energética» de las baterías actuales, además de ofrecer mayor vida útil. La batería del Mercedes-Benz EQS tiene una densidad energética volumétrica de 550 Wh/litro, pero algunas compañías como Factorial tienen ya baterías de estado sólido con 770 Wh/litro y apuntan a los 1.000 Wh/litro como objetivo.
Las diferencias en el tamaño vienen por una cuestión puramente estructural. En las pilas tradicionales de iones de litio, el ánodo y el cátodo están divididos por un separador que permite el paso de los iones. Dichos iones fluyen entre el ánodo y el cátodo (lo que hace que la batería se cargue o descargue) a través del electrolito líquido que separa ambos electrodos. En cambio, las baterías de estado sólido combinan el separador y el electrolito en un único elemento sólido (de ahí su nombre). Como resultado, las celdas pueden ser mucho más delgadas y caben más en un mismo espacio.
Diagrama con la diferencia estructural entre una celda con electrolito líquido (izquierda) y electrolito sólido (derecha). Imagen: LMC Automotive
Al ser más pequeñas y más ligeras, Volkswagen cree que las baterías de estado sólido podrán aumentar la autonomía en un 30% con el mismo tamaño y peso de una batería actual, una cifra que incluso podríamos calificar de conservadora. Y no sólo eso. También permitirán hacer recargas más rápidas y reducir aproximadamente a la mitad los tiempos de recarga actuales. Si un Volkswagen ID.4 actual con batería de 77 kWh tarda unos 25 minutos en cargar del 10 al 80%, con una batería de estado sólido (de la misma capacidad) podrá hacerlo en apenas 12 minutos.
En los últimos años, Volkswagen ha invertido alrededor de 300 millones de euros en la startup QuantumScape, dedicada a la investigación de esta tecnología, hasta convertirse en uno de sus mayores accionistas. La compañía estadounidense presentó el pasado mes de julio su batería de estado sólido de 10 capas, capaz de cargarse hasta el 80% en 15 minutos y de retener hasta el 80% de su capacidad original después de 800 ciclos de carga y descarga.
No es oro todo lo que reluce. Estos son los retos del electrolito sólido
Antes habrá que resolver ciertos problemas. Uno de los principales retos actualmente es encontrar el material adecuado para el electrolito sólido encargado de "transportar" los iones entre el ánodo y el cátodo de la celda, ya que uno de los problemas reside en la baja conductividad del electrolito sólido. Para lograr que los iones viajen de un electrodo a otro a través de un material sólido (o semisólido) se han desarrollado materiales que tienen una conductividad iónica similar a la de los electrolitos líquidos. Sin embargo, todas las soluciones actuales implican compromisos inaceptables entre conductividad iónica, vida útil de la batería y seguridad. Según Milan Rosina, analista en Yole Développement, «en la actualidad no disponemos de una combinación de materiales que sea compatible con la producción a gran escala», de ahí que haya tantos grandes actores involucrados en el desarrollo de la tecnología invirtiendo en startups con diferentes enfoques tecnológicos».
Cuota de mercado (%) y producción anual (GWh) prevista para las baterías de estado sólido hasta 2040. Fuente: The Faraday Institution.
Actualmente existen dos tipos principales de baterías de estado sólido: de electrolito sólido inorgánico y de electrolito orgánico (o polimérico). Cada uno de estos tipos parece tener un excelente rendimiento en algunos aspectos, pero deficiente o muy pobre en otros. Por ejemplo, las baterías con electrolito sólido a base de sulfuro tiene excelentes prestaciones pero son poco seguras y es complicado llevarlas a producción. Las de electrolito sólido polimérico son fáciles de producir, son estables pero sus prestaciones son pobres en comparación con las otras.
En las baterías desarrolladas hasta ahora, se da otro problema importante: la alta resistencia que se desarrolla en la frontera entre el material de los electrodos y los electrolitos, la llamada "interfaz". La escasa homogeneidad entre las superficies de contacto en la interfaz impide que el transporte de iones entre los electrodos se realice de manera rápida, lo que lleva a una pérdida significativa de rendimiento. Además, se pueden producir picos de corriente indeseados que impiden que los iones de litio tengan tiempo suficiente para distribuirse uniformemente en la interfaz. Esto puede conducir también a la formación de dendritas y, en el peor de los casos, provocar cortocircuitos y sobrecalentamientos de la batería.
Electrolitos sólidos híbridos, la gran esperanza del futuro
Uno de los retos de investigación de la próxima década será descubrir y utilizar materiales que combinen propiedades aceptables en las tres áreas: prestaciones, seguridad/estabilidad y facilidad de producción a escala. Los electrolitos sólidos híbridos, una combinación de electrolito inorgánico y orgánico, apuntan a ser solución más prometedora a este problema. Daniel Rettenwander, del Instituto de Química y Tecnología de Materiales de la Universidad de Tecnología de Graz, está investigando junto a su equipo diferentes estrategias para afrontar estas problemáticas, y los electrolitos híbridos están encima de la mesa.
Hoja de ruta de Solid Power con diferentes avances de la tecnología de electrolito sólido y sus características principales.
El trabajo de Rettenwander se centra en reducir la resistencia que opone el electrolito al desplazamiento de los iones por su interior cuando viajan de un electrodo a otro empleando una combinación de electrolitos de cerámica, que ofrecen alta conductividad y estabilidad termodinámica, y de polímero, que es un material muy fácil de procesar, combinado con una recarga por pulsos electroquímicos en lugar de la corriente continua habitual. La combinación de electrolitos de cerámica y polímero permite reducir el peso y al mismo tiempo compensar la pérdida de contacto debido a la expansión del material del cátodo durante la carga y descarga, logrando baterías más ligeras, con mayor densidad de energía. Reúne lo mejor de ambos mundos: la alta conductividad y estabilidad termodinámica de los electrolitos cerámicos y las excelentes propiedades mecánicas y la facilidad de producción de los electrolitos a base de polímeros.
Cuando se consiga resolver todo lo anterior y llevarlo a producción con un volumen suficiente, podremos tener baterías de electrolito sólido más seguras y con mejores prestaciones a un menor coste que las actuales. Sin embargo, hasta ahora nadie ha conseguido resolver todos los problemas mencionados en una batería producida a gran escala.
El Mercedes eCitaro G eléctrico ya utiliza baterías de estado sólido fabricadas por BlueSolutions.
Daimler ya ha comenzado a instalar baterías de estado sólido en el Mercedes-Benz eCitaro G, un autobús eléctrico con baterías de BlueSolutions de las cuales os adelantamos en exclusiva todas sus especificaciones. Varias ciudades alemanas ya tienen operando unidades de este modelo, sin embargo sus baterías no son demasiado prácticas para un turismo eléctrico privado, pues necesitan precalentarse por encima de la temperatura ambiente antes de comenzar a trabajar. Por otro lado, Toyota ha llegado a probar públicamente un coche eléctrico con batería de estado sólido fabricada por Panasonic, el Toyota LQ Concept. Sin embargo, de momento no es más que un prototipo.
Sophie Schmidlin, directora de Ingeniería avanzada del Grupo Renault, dijo el pasado mes de julio que las baterías de estado sólido «parecen ser el verdadero cambio de juego, tanto desde el punto de vista del rendimiento como del coste, abriendo el camino a muchos avances tecnológicos». Renault y Nissan han invertido 65 millones de dólares en Ionic Materials, una empresa estadounidense de baterías de estado sólido. Según Schmidlin, «en última instancia, el objetivo es la tecnología de estado sólido».
La propia tecnología del electrolito sólido las hace más seguras que las baterías actuales
Por último, aunque no menos importante, las baterías de estado sólido tienen en su lista de ventajas la seguridad. Los incendios relacionados con las baterías de iones de litio han costado a fabricantes de coches y de celdas varios miles de millones de euros en los últimos años. En el caso más sonado recientemente, Chevrolet llamó a revisión a todos los Bolt eléctricos fabricados desde que se lanzó el modelo para reemplazar la batería original, que podía provocar un incendio fortuito. Dicha operación tuvo un coste de 2.000 millones de dólares, y LG Chem, el fabricante de las baterías, acordó pagar a Chevrolet 1.900 millones para cubrir los gastos. No han sido los únicos: el año pasado Ford retiró 69.000 unidades del Kuga híbrido enchufable por defectos en sus baterías; y en febrero de este año, Hyundai dijo que gastaría 900 millones de dólares para sustituir las baterías de 82.000 de sus coches eléctricos.
Prototipos de baterías de metal de litio en estado sólido de General Motors.
Las baterías de estado sólido pueden mitigar gran parte de los riesgos de incendio porque, a diferencia de los electrolitos líquidos, su electrolito no es inflamable, haciéndolo mucho más seguro de manera intrínseca. Además, el electrolito sólido debería actuar como un escudo contra el crecimiento de las dendritas (depósitos de litio que pueden formarse en el ánodo, moverse a través del electrolito y perforar el separador, causando cortocircuitos que pueden provocar incendios). La reducción de las dendritas da lugar a una celda más duradera que puede soportar más carga con menos riesgo de incendio.
Por otro lado, el calor que se produce en una batería de estado sólido es mucho más fácil de controlar, así que no se necesitan separadores entre los electrodos ni una cubierta externa protectora, ya que la tecnología es intrínsecamente segura. Esto permite, a su vez, emplear sistemas de refrigeración para la batería más simples, más baratos y menos voluminosos.
Como tantas otras tecnologías, es probable que las baterías de electrolito sólido lleguen primero a modelos de alta gama y precio elevado. De momento, no es viable construir una gran fábrica con capacidad suficiente para abastecer a cientos de miles de coches eléctricos. Según algunos analistas, es probable que la demanda de baterías de estado sólido sea de solamente 2-3 GWh anuales en 2025 y los años posteriores. Los precios, lógicamente, bajarán a medida que la producción aumente, pero como hemos visto, antes de llegar a ese punto hay un importante número de desafíos por delante.
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