Energía
Un avance en las baterías acerca las variantes de estado sólido a la realidad
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Baterías de estado sólido para dominar los vehículos eléctricos
Si bien las baterías de iones de litio se han convertido en la solución dominante para los sistemas de baterías de vehículos eléctricos, padecen algunas limitaciones.
Uno de ellos es que la densidad energética aún no es muy grande, y otro es un problema de seguridad relacionado con el crecimiento de dendritas que perforan la batería y que a veces hace que el electrolito se incendie.
Fuente: Premio Nobel
Se espera que ambos problemas se alivien con baterías de estado sólido, que eliminan la necesidad de electrolitos y el riesgo de dendritas.
Toyota prevé el uso de estas baterías de estado sólido para 2027, y en general, parece un candidato sólido para El futuro de la movilidad.
Aun así, persisten algunos problemas, especialmente con el electrolito sólido tipo granate, también conocido como Li7La3Zr2O12 o LLZO (ver más abajo).
Por eso es una buena noticia que cuatro investigadores de la Universidad McGill en Canadá hayan anunciado que han creado un nuevo diseño de LLZO que puede suministrar una mayor cantidad de energía. Publicaron sus resultados en Cell Reports Physical Science en un artículo titulado “Baterías de litio-metal basadas en granate de estado sólido de 4.8 V con interfaz estable.
Electrolito de estado sólido
LLZO
Se suele decir que las baterías de estado sólido no necesitan electrolitos. Esto es técnicamente correcto cuando se hace referencia al electrolito líquido que se utiliza habitualmente en las baterías de iones de litio.
Pero, por supuesto, cualquier batería necesita algún tipo de puente entre el ánodo y el cátodo para funcionar. Hay tres tipos de electrolitos de estado sólido (SE): cerámicos, poliméricos y compuestos (CSE).
Los electrolitos de estado sólido compuestos (CSE) mezclan SE de polímero con rellenos inorgánicos conductores iónicos como Li7La3Zr2O12 (LLZO) para facilitar el transporte de iones de litio.
Si bien este método es ideal para el funcionamiento de alto voltaje en baterías densas, presenta un contacto deficiente con el electrodo, lo que reduce la eficiencia general.
LLZO poroso
Lo que descubrieron los investigadores es que el LLZO puede estar hecho de una membrana de cerámica porosa, en lugar de la placa sensora habitual. En términos más técnicos:
Aquí, diseñamos un electrolito sólido compuesto a base de granate (CSE) altamente conductor y amigable con la interfaz que comprende una estructura porosa cúbica Li6.1Al0.3La3Zr2O12 y difluoruro de polivinilideno (PVDF) con una estructura continua tridimensional.
Visualmente, se traduce en una estructura 3D muy compleja llena de pequeños agujeros a escala microscópica:
Fuente: Celular
Esto crea una gran superficie de contacto para el ion de litio, al mismo tiempo que ofrece una fuerte adherencia al electrodo.
Fuente: Celular
Baterías más estables y duraderas
En general, las baterías de estado sólido son mucho más potentes y tienen una mayor densidad energética que las baterías de iones de litio, pero ha sido difícil fabricarlas a gran escala para que puedan durar muchos ciclos de carga y descarga sin perder capacidad.
Luego, los investigadores procedieron a probar las baterías para ver si la interfaz de electrodos que habían creado era tan resistente como esperaban.
Después de 200 ciclos, lo estudiaron bajo el microscopio y no encontraron ningún rastro de degradación, como grietas, delaminación, etc.
Fuente: Celular
En general, el prototipo de batería demuestra una excelente resistencia, especialmente contra la formación de dendritas.
Las celdas simétricas Li-Li basadas en CSE de base cerámica pueden ciclar de manera estable durante 1,000 h a 0.1 y 0.5 mA cm−2, lo que indica una excelente estabilidad electroquímica frente a la deposición de Li-metal e incluso de Li+ (supresión de dendritas).
Mejor perfil de seguridad
La formación de dendritas drásticamente reducida, así como la ausencia de electrolitos inflamables, deberían ayudar a aumentar significativamente la seguridad de las baterías de litio.
Debido a que el espesor del CSE basado en cerámica es de solo 125 μm, esto también hace que esta tecnología sea muy competitiva para crear baterías de estado sólido con gran densidad energética.
También debe tenerse en cuenta que, si bien no es sencilla, la técnica utilizada para crear el LLZO mejorado no requiere metales raros, maquinaria rara ni pasos complejos que estén fuera de lo común en la fabricación de baterías.
Fuente: Celular
En general, este debería ser un paso importante para mejorar aún más las características de las baterías de estado sólido en todos los aspectos importantes: estabilidad, seguridad, densidad energética y facilidad de producción.
¿Están ganando las baterías de estado sólido?
No quiere decir que las baterías de estado sólido seguramente se convertirán en el nuevo estándar para las baterías de vehículos eléctricos en los próximos años.
Las baterías de iones de litio también podrían competir, lo que se debe principalmente a una mejora en el diseño, ya que los nanoporos similares ayudan a reducir la formación de dendritas.
Más destacado, Baterías de panal desarrolladas por el líder mundial en fabricación de baterías CATL Podría alcanzar un perfil de seguridad y una densidad de energía similares a algunas baterías de estado sólido.
En general, parece que una comprensión más profunda del material de las baterías, especialmente a escala micro y nano, y los usos de los nanoporos serán el camino a seguir para seguir mejorando el rendimiento de las baterías y eliminar para siempre el riesgo causado por la formación de dendritas.
Invertir en tecnología de baterías
Las baterías de litio ya han cambiado el mundo varias veces, desde permitir a la gente llevar dispositivos electrónicos avanzados a todas partes hasta alimentar automóviles únicamente con electricidad.
Es posible que aún lo vuelvan a hacer, o con otros tipos de baterías, permitiendo una red eléctrica 100% renovable o permitiendo la electrificación de los aviones cuando se alcance una densidad energética lo suficientemente alta.
Puede invertir en empresas relacionadas con baterías a través de muchos corredores y puede encontrar aquí, en valores.io, nuestras recomendaciones para los mejores corredores en EE.UU, Canada, Australia, el Reino Unido, así como muchos otros países.
Si no está interesado en elegir empresas de baterías específicas, también puede buscar ETF de biotecnología como Amplify ETF de tecnología de baterías y litio (BATT), X globales ETF de tecnología de baterías y litio (LIT), o el WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF, lo que proporcionará una exposición más diversificada para capitalizar la creciente industria de las baterías.
Empresas de estado sólido
(QS )
QuantumScape, que desde hace tiempo se esperaba que fuera una de las primeras empresas en lanzar baterías de estado sólido al mercado, ha estado a la vanguardia del desarrollo de esta tecnología.
Las baterías QuantumScape utilizan baterías de litio metálico sin ánodo.
Las baterías sin ánodo almacenan los iones en un depósito electroquímico de metal alcalino directamente sobre el colector de corriente, lo que permite un mayor voltaje de celda, un menor costo de celda y una mayor densidad de energía.
Fuente: QuantumScape
(También discutimos el concepto de baterías sin ánodo en el contexto de las baterías de sodio en “Las baterías de estado sólido de sodio sin ánodo podrían reducir la dependencia del "triángulo del litio"").
Sin embargo, QuantumScape ha retrasado regularmente la fecha prevista de producción en masa de sus baterías, lo que ha mermado el entusiasmo inicial de los inversores por la empresa.
Esto podría cambiar con algunos cambios clave en 2023 y 2024:
- Mejora en la consistencia y calidad de la producción.
- Mejora en el diseño del embalaje, incluidos márgenes internos más estrechos, colectores de corriente más delgados y un marco más delgado.
- Se enviaron celdas unitarias de alta carga de cátodos a socios OEM (fabricantes de equipos originales) automotrices.
- Se anunció el lanzamiento de QSE-5, el primer producto comercial de la compañía, con un posible cliente de lanzamiento en el sector automotriz.
En general, QuantumScape parece ser, con diferencia, la empresa de estado sólido con la tecnología más madura, especialmente en lo que respecta a la durabilidad de la batería.
Fuente: QuantumScape
Trato con Volkswagen
Más importante aún, la compañía está mostrando un progreso real al establecer una asociación con Volkswagen, el segundond El mayor fabricante de automóviles del mundo.
En julio 2024QuantumScape firmó con Volkswagen un acuerdo para colaborar en la fabricación de celdas de batería basadas en el diseño QSE-5.
La licencia permitiría a PowerCo fabricar y vender baterías para automóviles hasta 40 GWh al año, ampliables a 40 GWh adicionales.
Esta es una licencia de propiedad intelectual no exclusiva y con regalías, que permite a QuantumScape seguir vendiendo a cualquier otro cliente potencial.
Tal vez lo más importante para aliviar las ansiedades de los inversores sobre la compañía es que también otorgará una regalía inicial de 130 millones de dólares, acreditable contra regalías futuras, pagadas por PowerCo, la subsidiaria de baterías de Volkswagen.
Esto le da a la compañía 18 meses adicionales de liquidez en comparación con la orientación anterior, lo que a esta altura llega hasta bien entrado el año 2028.
Debería ser tiempo más que suficiente para aumentar la producción y empezar a registrar ingresos sólidos.
Mientras las baterías QuantumScape funcionen adecuadamente, deberían poder encontrar su nicho en el mercado junto a las baterías fabricadas por empresas más grandes como CATL, BYD y Panasonic.
Teniendo en cuenta que Volkswagen probablemente ha probado exhaustivamente sus propios prototipos QuantumScape y estudiado el aumento de la producción, el acuerdo reciente parece un respaldo bastante sólido a la tecnología de la compañía.
Fuente: QuantumScape
Además, la fecha límite paralela de 2027 fijada por Toyota para la comercialización de baterías de estado sólido parece indicar que, después de muchos comienzos en falso, la tecnología está llegando ahora a un punto en el que es lo suficientemente madura.
