El Futuro de la Movilidad – Tecnología de Baterías

El Auge de los EVs

Cuando Tesla se fundó en 2003, la idea de los coches eléctricos se consideraba en gran medida como una broma. En ese momento, cada coche eléctrico había sido esencialmente un carrito de golf mejorado con una pobre autonomía de batería, bajo confort, tamaño pequeño y muy baja velocidad máxima.

El Tesla Roadster (1ª generación, ya que se espera una nueva versión en 2026) cambió completamente esta percepción, con el rendimiento de un coche deportivo de lujo, haciendo que los coches eléctricos (EVs) sean de repente geniales.

La parte clave que hizo que los EVs fueran viables de repente fue el progreso en la tecnología de baterías. Al principio, esto se basaba en las baterías de iones de litio diseñadas para el mercado de electrónica pequeña. Y pronto, se desarrollaron sistemas más dedicados para dar a los EVs más autonomía.

Desde un pequeño volumen incluso en 2016, los coches eléctricos (EVs) ahora son una parte creciente exponencialmente de las ventas globales, con más de 10 millones de coches eléctricos vendidos en 2022, o el 14% de las ventas globales, con China y Europa a la cabeza.

Ventas de coches eléctricos – Fuente: IEA

Aún así, a pesar de este progreso, algunas preguntas siguen abiertas sobre la adopción de los EVs. Las ventas de EVs se han desacelerado frente a la alta inflación y la necesidad de convencer al público en general, no solo a los adoptadores tempranos. Esto llevó recientemente a el aplazamiento o cancelación de la estrategia de EV por parte de importantes fabricantes, como GM, Ford o Honda.

Las Limitaciones Actuales

Los primeros entusiastas de los EVs estaban contentos de usar vehículos que podrían ser más neutrales en carbono y representaban una nueva tecnología. Los compradores menos preocupados por el medio ambiente siguen siendo algo escépticos sobre los EVs por una variedad de razones:

• Precio: La mayoría de los EVs todavía cuestan más que sus equivalentes de motor de combustión interna (ICE). Con las tasas de interés subiendo, esto puede hacer que los EVs sean demasiado caros para mucha gente.
• Ansiedad por la autonomía: Una forma de reducir el precio de un EV es elegir la opción de paquete de batería más pequeño. Pero entonces, la autonomía más baja puede hacer que los viajes largos sean difíciles, y el tiempo de carga puede ser largo también.
• Clima frío: Cuanto más frío es el clima, más dañino es para las baterías. La mayoría de los EVs necesitan permanecer cargados en noches de invierno si no están en un garaje cálido. Además, el frío reduce la autonomía teórica de los EVs.
• Infraestructura de carga: Las personas que viven en apartamentos pueden encontrar difícil recargar sus EVs si no hay suficientes estaciones de carga públicas disponibles. Las largas colas, la carga lenta o la falta de estaciones cerca pueden hacer que la experiencia sea mala.
• Seguridad y durabilidad de la batería: Las baterías de iones de litio contienen mucha energía. Y los electrolitos en la batería son muy inflamables. Esto hace que las baterías sean potencialmente un peligro para la seguridad, especialmente en entornos cerrados como aparcamientos subterráneos. No es que los coches de motor de combustión interna no sean inflamables, pero sigue siendo una preocupación.
• Red eléctrica: Aunque no es realmente una preocupación para los compradores de EVs, puede convertirse en un problema para el sector en su conjunto. Las redes eléctricas ya están algo tensas y pueden no manejar bien millones de vehículos que necesitan recargar. La fuente de la electricidad también es un problema, con mucha de ella proveniente de combustibles fósiles, incluido el carbón.

La mayoría de los problemas con los EVs actuales se pueden resolver con mejores baterías. La carga lenta, la autonomía demasiado baja, los problemas de seguridad, la sensibilidad al frío y incluso el precio son todas características de las baterías de iones de litio actuales.

Los investigadores y líderes de la industria están trabajando duro para resolver estas deficiencias, ya sea mejorando el diseño existente o inventando formas completamente nuevas de construir baterías.

En general, las baterías más densas significan baterías más baratas, más seguras que también son más propensas a durar más y cargar más rápido.

Mejorando las Baterías de Litio

El primer paso es mejorar las baterías existentes y capitalizar la riqueza de conocimientos y experiencia con esta tecnología. Algunos investigadores ven la generación actual de baterías que todavía pueden mejorar incrementalmente hasta 2030: “Perspectivas para las baterías de iones de litio y más allá — una visión para 2030”.

La primera parte es mejorar la parte del cátodo de la batería, que actualmente está hecha principalmente de litio y níquel en las baterías de iones de litio. Una comprensión más profunda de la estructura cristalina y el cambio químico cuando una batería envejece podría mejorar todas las especificaciones de las baterías.

Las ánodos, actualmente hechos de grafito, podrían ser reemplazados por silicio o óxido de silicio 5-10 veces más densos en energía. Hasta ahora, esto ha sido difícil, ya que los ánodos de silicio tienden a “envejecer” demasiado rápido. Las mezclas de grafito y silicio ya están volviéndose más comunes, y podrían ayudar a aumentar la energía total de las baterías.

Cambiar los electrolitos que conectan el ánodo y el cátodo también podría ayudar. Nuevos tipos de disolventes líquidos, electrolitos más concentrados o incluso electrolitos gelatinosos podrían mejorar el perfil de seguridad y aumentar la densidad de la batería.

Por último, un diseño mejorado es una opción para optimizar la relación entre las baterías y los EVs. Muchos fabricantes de EVs están empezando a usar baterías estructurales, que son tanto almacenamiento de energía como componentes estructurales del vehículo. Esto puede reducir el peso total del coche, lo que lleva a una mayor eficiencia y autonomía. Rolls-Royce, Tesla y Volvo ya están trabajando en esta idea, que podría aumentar la autonomía en un 16%.

Baterías de Estado Sólido

Largamente teorizadas y lentamente hechas realidad en laboratorios, las baterías de estado sólido a menudo se describen como el Santo Grial de la tecnología de baterías.

La idea es eliminar completamente la necesidad de electrolitos líquidos, reduciendo drásticamente el peso de la batería y aumentando dramáticamente su densidad. Eliminar el electrolito inflamable debería hacer que la batería sea mucho más segura. Eliminar el electrolito también debería simplificar el proceso de producción; eliminar hasta 3 semanas en la línea de producción.

Por último, estos diseños prometen una recarga casi completa en 3-5 minutos, o alrededor del mismo tiempo que se tarda en recargar un coche con gasolina.

Muchas empresas están hablando de lanzar su propia versión de baterías de estado sólido tan pronto como 2026-2029. Esto incluye a QuantumScape (QS), CATL (300750.SZ), Toyota (TM), Panasonic (6752.T), LG (051910.KS), y Samsung SDI (006400.KS). Por ahora, Tesla (TSLA) está trabajando en su propia alternativa a las baterías de estado sólido, las celdas de batería 4680 basadas en tecnología de iones de litio.

Problemas de las Baterías de Estado Sólido

El desarrollo de baterías de estado sólido ha sido plagado de dificultades para escalar prototipos de laboratorio a productos manufacturados en masa. La producción fiable, automatizada y de bajo costo todavía está en marcha, y el cronograma para la llegada al mercado de las baterías de estado sólido probablemente esté en el horizonte de 2026-2028 como máximo.

Fuente: Vertex Holdings

Por último, las baterías de estado sólido utilizarán mucho más litio que las baterías de iones de litio actuales, lo que podría provocar una repetición del aumento vertiginoso del precio del litio en 2022, cuando subió 10 veces en 2 años. El reciclaje también podría ser difícil.

Baterías “Condensadas”

Quizás no necesitemos esperar a las baterías de estado sólido para ver baterías de muy alta densidad. CATL ha anunciado la creación de una batería de “materia condensada”, capaz de alcanzar 500 Wh/kg. La empresa también afirma la posibilidad de lograr una producción en masa en un corto período de tiempo, lo que, proveniente del líder del sector y no de una pequeña startup, es probablemente creíble.

Este es un nivel de densidad que previamente se creía que solo podía lograrse con baterías de estado sólido. También es el nivel requerido para comenzar a considerar aviones eléctricos y otras aplicaciones que hasta ahora han sido imposibles de electrificar.

Químicas de Baterías Alternativas

Hay muchas posibles alternativas a los iones de litio para crear una batería. Pero solo unas pocas químicas de baterías tendrán la mezcla correcta de ligereza, alta densidad y seguridad para ser aptas para uso en aplicaciones móviles.

A largo plazo, algunas de estas baterías alternativas podrían incluso reemplazar las baterías de litio más costosas, al menos cuando se trata del mercado automotriz masivo.

Baterías de Litio-Hierro (Ferrum)-Fosfato – LFP

Las baterías LFP han estado fuera de las aplicaciones de movilidad durante mucho tiempo debido a una densidad de energía demasiado baja, tipicamente 30-40% más baja que una batería de iones de litio clásica. La última versión de esta química ahora está alcanzando el nivel de densidad de las baterías de iones de litio de generaciones anteriores, lo que las hace viables para vehículos de bajo costo.

Una gran ventaja de las LFP es que no requieren níquel ni cobalto, ambos responsables del precio de las baterías de iones de litio clásicas. En contraste, el hierro y el fosfato son abundantes y baratos. Las LFP también son más propensas a durar más, lo que reduce aún más el costo total del sistema de baterías.

El fabricante líder de LFP es el chino CATL (300750.SZ), junto con BYD (BYDDF), aunque la empresa ahora también está explorando otras opciones para mantener su posición de fabricante de la mitad de las baterías del mundo.

Sin embargo, no descuida el mercado de LFP después de revelar en agosto de 2023 una batería LFP de 700 kilómetros que puede recargar 400 km de autonomía en solo 10 minutos.

Ion de Sodio

Además del cobalto y el níquel, el litio es el otro recurso costoso clave que se incorpora a las baterías de iones de litio. En cambio, el sodio es extremadamente abundante y barato y mucho menos probable que escasee regularmente como el litio.

El principal fabricante de coches chino, BYD, ha anunciado su intención de utilizar baterías de iones de sodio para sus nuevos modelos de bajo precio Dolphin y Seagull, con el Seagull tal vez tan barato como $10,000 (lamentablemente, solo en China).

Esto siguió al anuncio de una batería de iones de sodio de alta densidad por CATL en 2021. En noviembre de 2023, el europeo Northvolt ha anunciado un avance en la tecnología de iones de sodio, logrando la misma densidad de energía de 160 vatios-hora por kilogramo que CATL.

Aunque ligeramente menos densas en energía que las LFP y mucho menos que las de iones de litio, las baterías de iones de sodio podrían ganar el mercado masivo gracias a un precio MUCHO más barato, potencialmente 1/3 del precio de las baterías actuales que utilizan níquel.

Otras Químicas

Aunque sería demasiado largo examinar cada una por una, hay varias químicas potenciales que podrían convertirse en serias contendientes para las baterías utilizadas en aplicaciones de movilidad.

Baterías de Vidrio

Una idea intrigante, que utiliza solo materiales muy abundantes, que por ahora otros investigadores han estado luchando por replicar en sus propios laboratorios. Pero considerando que esta idea está respaldada por el Sr. Goodenough, el inventor de la batería de iones de litio, no se puede descartar tampoco (lamentablemente, el Sr. Goodenough falleció en el verano de 2023).

Baterías de Grafito

El grafito, una capa única de átomos de carbono, es extremadamente conductor. La empresa Graphene Manufacturing Group (GMG.V) está impulsando las baterías de grafito/aluminio, que podrían tener una densidad más alta que las de iones de litio mientras se cargan 70 veces más rápido y duran 3 veces más. La empresa está trabajando con el gigante minero (y minero de grafito) Rio Tinto para comenzar la producción a escala para 2025.

Baterías de Manganeso-Hidrógeno

Estas baterías utilizarían magnesio para reemplazar al litio. Este tipo de batería ha sido descrito como “cuasi estado sólido” y podría manejar mucho mejor las temperaturas bajas como -22 °C (- 7°F).

Baterías de Litio-Azufre

Estas baterías utilizarían litio y azufre en lugar de cobalto y níquel costosos. Incluso en esta etapa temprana, muestran una densidad de energía notablemente alta. Sin embargo, han sido plagadas de problemas relacionados con la durabilidad y necesitarán volverse mucho más duraderas para ser una buena alternativa a las químicas existentes.

Fuente: Vertex Holdings

Baterías de Sodio-Azufre

Estas baterías habían estado limitadas a aplicaciones donde la batería se mantenía a altas temperaturas (300°C). Sin embargo, nuevos electrolitos que evitan la disolución del azufre podrían eliminar este requisito. Así que podría convertirse en un nuevo ángulo para encontrar baterías poderosas y baratas.

Baterías de Ion de Aluminio

Esta tecnología reemplaza el ánodo de litio con uno de aluminio. Al utilizar un reemplazo de polímero para el grafito, estas baterías podrían lograr una alta capacidad de almacenamiento.

Aluminio-Aire

Estas “baterías” funcionan consumiendo aluminio como combustible, dando al EV que lo utiliza un rango más alto que un coche de combustible (1,600 km por tanque), con una densidad de energía mucho más densa que la de iones de litio (1,350 W/kg). Esto también lo convierte en una posible fuente de electricidad para aviones eléctricos.

El aluminio consumido se puede reemplazar con aluminio fresco en 90 segundos, y el “combustible” gastado se recicla. Esta tecnología también podría combinarse con EVs más antiguos para devolverles más rango.

Actualmente, el principal límite para el desarrollo de esta tecnología parece ser que no recibe apoyo público, ya que no es una batería real, una celda de combustible ni hidrógeno, lo que la hace inelegible para el apoyo de las políticas verdes existentes.