Las baterías de estado sólido, más rápidas, seguras y duraderas, están en camino. La pregunta es: ¿cuánto falta para que podamos enchufarlas?
El campus de QuantumScape en San José, en el corazón de Silicon Valley, está lleno de confianza. El «Campus QS» de la empresa de tecnología de baterías, que incluye QS-0, la línea de producción prepiloto de QuantumScape, y tres edificios adyacentes, está dedicado en gran parte a espacio de fabricación. La escala del propio campus y la inversión de la empresa, cada edificio tiene un contrato de arrendamiento confirmado de 10 años a partir de noviembre de 2021, indican la seguridad de QuantumScape de que será la primera empresa en comercializar una batería de estado sólido para vehículos eléctricos.
QuantumScape afirma que se podrá comprar un Audi o un Volkswagen con sus baterías en 2024, un vehículo que podrá recorrer casi 400 millas con una sola carga, y luego recargarse en 15 minutos. Esta capacidad otorgaría a los vehículos eléctricos de estado sólido una enorme ventaja sobre sus competidores, que dependen de las omnipresentes, pero más débiles, baterías de iones de litio (Li-on). Las baterías de estado sólido (ASSB) prometen vida más larga, tiempos de carga más rápidos y química más segura en comparación con las opciones de iones de litio, pero producirlas a la escala necesaria para alimentar millones de vehículos no será fácil, a pesar de los miles de millones de dólares ya invertidos en esta tecnología. Empresas como QuantumScape se apresuran a llegar al mercado antes que otras empresas, como Solid Power de Colorado y ProLogium Technology de Taiwán, así como gigantescos fabricantes de automóviles como Nissan. La competencia genera, e incluso exige, afirmaciones audaces, y QuantumScape no se queda corta en ellas.
La batería de estado sólido de QuantumScape ha superado lo que el director de marketing, Asim Hussain, denomina, según la propia empresa, pruebas de «estándar de oro». Las ASSB han cargado rápidamente sus celdas (pasando del 10 al 80% en 15 minutos) 400 veces consecutivas, y algunas han pasado por un ciclo total de descarga y carga de casi 1.000 veces. «Las células de iones de litio tradicionales, o cualquier otro esfuerzo de estado sólido hasta la fecha, no podrían ni siquiera acercarse a eso», dice Hussain.
QuantumScape presume de que podría entregar los primeros prototipos de baterías (lo que ellos llaman «muestras A») a Volkswagen, su mayor accionista, este año. Para finales de 2023, tiene previsto construir una línea de preproducción y entregarlas para su integración en un coche de pruebas previsto para 2024 o 2025. Para entonces, QuantumScape espera que las baterías de estado sólido salgan de su primera gigafactoría, un término de Silicon Valley usado inicialmente por Tesla para describir una planta de construcción de gran tamaño.
Se trata de un calendario ambicioso que sitúa a la empresa en una posición que le permitiría superar a sus competidores más fuertes en el mercado por un estrecho margen. SES, un fabricante de baterías de Singapur, afirma que está en camino de ofrecer una batería alternativa de litio-metal que pueda competir con las ASSB en 2025. Nissan afirma que tendrá su propia versión de baterías de estado sólido en los vehículos para 2028. La bandera a cuadros para los Toyotas, Nissans, Volkswagens y otros vehículos con baterías de estado sólido parece estar a la vuelta de la esquina. Pero a medida que la carrera se llena de innovadores, ¿cuándo estará la tecnología realmente disponible para los compradores de coches?
Para los millones de potenciales compradores de vehículos eléctricos en los próximos años, las baterías de estado sólido prometen tres ventajas sobre los actuales paquetes de energía eléctrica: mayor autonomía, recarga más rápida y química más segura. Las ventas de vehículos eléctricos alcanzaron las 487.460 unidades en 2021, casi el 10% de todos los vehículos nuevos vendidos, y las ventas del cuarto trimestre se dispararon el 72% respecto al año anterior. A pesar del aumento, la tecnología de las baterías que alimentan todos esos motores eléctricos sigue estando por detrás de lo que pueden hacer los motores de combustión.
Casi todos los vehículos eléctricos montan baterías de iones de litio. Según las estadísticas de la EPA, éstas ofrecen 235 millas de autonomía media combinada, apenas la mitad de la distancia que recorren la mayoría de los vehículos de gasolina antes de tener que repostar. Para ganarse a los clientes, los vehículos eléctricos tienen que igualar o superar las prestaciones de sus homólogos de combustión interna, ya que aún no pueden competir en precio. Ahí es donde los ASSB ofrecen una ventaja. En comparación con las actuales baterías de iones de litio, prometen densidad energética mucho mayor, es decir, la cantidad de energía que producen en proporción a su peso o volumen. Las densidad energética de las principales baterías de iones de litio es unos 600 vatios-hora por litro, pero QuantumScape espera que su ASSB alcance la densidad energética media de 1.000 vatios-hora por litro. Según Hussain, esto podría ampliar la autonomía media de los vehículos eléctricos a entre 480 y 600 kilómetros, casi igualando la autonomía media de los motores de combustión interna.
La diferencia crucial entre las ASSB y las baterías de litio es el material que emplean entre los electrodos. Ambos tipos de baterías funcionan enviando iones de un electrodo, llamado cátodo, a otro, el ánodo. Las baterías de iones de litio usan un líquido entre los dos, lo que las hace relativamente fáciles de producir. Las baterías de estado sólido llevan un material electrolítico sólido. La composición química específica de ese sólido varía de una empresa a otra y a menudo se mantiene en secreto, el equivalente de la industria de las baterías a la receta de Coca-Cola o Pepsi. Los electrolitos sólidos más comunes son la cerámica cristalina, la cerámica de vidrio y los polímeros de base orgánica. El uso de un sólido como vía es más eficaz que el de un líquido si el material es el adecuado: las moléculas de un sólido, más compactas, pueden albergar más energía en el mismo espacio.
QuantumScape está desarrollando sus baterías con un electrolito cerámico en parte porque el material es menos susceptible a la formación de dendritas, un área de problemas común para las baterías de litio en la que los iones de litio se aglutinan en el ánodo de la batería en el transcurso de muchos ciclos de carga para formar estalagtitas altamente reactivas que pueden causar un cortocircuito, pérdida de energía, o incluso un incendio. Aunque la ASSB de QuantumScape requiere litio en su construcción, la empresa afirma que las dendritas no serán una amenaza. En general, los fabricantes de baterías afirman que las ASSB serán más seguras que las baterías tradicionales, ya que los electrolitos sólidos son en gran medida no inflamables, lo que reduce el riesgo de incendio de la batería y elimina la necesidad de sistemas de gestión térmica que se encuentran en las baterías de electrolito líquido.
Hay un aspecto en el que las ASSB en desarrollo probablemente no podrán superar a los motores de combustión: el tiempo que se tarda en repostar. QuantumScape afirma que su batería para vehículos eléctricos tardará 15 minutos en pasar del 10% al 80%. Eso es mucho menos tiempo del que tardan la mayoría de los vehículos eléctricos actuales, pero sigue siendo más largo que los cinco o siete minutos que se tarda en repostar un vehículo convencional en el surtidor (aunque, en comparación, hace que una carga nocturna del iPhone sea frustrantemente lenta).
El potencial transformador de los vehículos eléctricos con baterías de estado sólido ha impulsado a los fabricantes de automóviles a entrar en la batalla junto a empresas como QuantumScape. Toyota anunció una inversión de 13.600 millones de dólares en un programa interno de desarrollo y producción de baterías, que incluye baterías de estado sólido, en 2021. Este año, dijo que sus primeros vehículos eléctricos con baterías de estado sólido aparecerían en las carreteras en 2025, antes que las baterías de estado sólido de otros fabricantes, en parte porque las baterías aparecerán primero en los coches híbridos, que montan paquetes de baterías más pequeños y requieren menos carga que los vehículos totalmente eléctricos.
Otras empresas, como Nissan, tienen un plan más largo, pero más ambicioso para desplegar las baterías de estado sólido. Esto no es demasiado sorprendente, dado el lento pero pionero camino que la empresa ha seguido con los vehículos eléctricos. En 1998, Nissan se convirtió en el primer fabricante de automóviles en usar baterías de litio en un vehículo de producción; aproximadamente una década después, su Leaf se convirtió en el primer vehículo eléctrico de producción masiva. Durante los últimos 10 años, ha estado investigando y desarrollando tecnología de estado sólido, y ahora la empresa afirma que pretende comenzar la producción de baterías a gran escala en 2028. Este plazo más largo viene acompañado de grandes objetivos de rendimiento: baterías de estado sólido con el doble de densidad energética que las de iones de litio y con un tercio del tiempo de carga. Pero Nissan ha dado pocos detalles hasta ahora sobre cómo piensa conseguirlo. Al parecer, se está centrando en un electrolito sólido a base de sulfuro que incluye un mecanismo de «salto», que aumenta la velocidad y la facilidad con la que los iones se mueven entre el cátodo y el ánodo durante la carga y la descarga de la batería. Sin embargo, los responsables del equipo de desarrollo de Nissan, Yoshiaki Nitta y Kenzo Oshihara, afirman que la empresa aún no se ha decantado por una química específica para la batería. Sugieren que Nissan podría usar diferentes químicas de ASSB para diferentes coches. «Tenemos múltiples opciones de materiales y ánodos», dice Oshihara. «Como usaremos un electrolito sólido, podemos desarrollar materiales [especiales]».
Son muchas cosas que los potenciales compradores de vehículos eléctricos deben tener en cuenta. Pero también es probable que haya algunas promesas no cumplidas en esas afirmaciones. El doctor Tim Holme, cofundador y director técnico de QuantumScape, afirma que eso es lo que ocurre desde hace tiempo con la tecnología de baterías emergentes. Llevo 20 años trabajando en el sector de las baterías», dice, «y una vez a la semana oyes hablar del «gran avance» que va a revolucionar tu iPhone [por ejemplo]. Se cargará en cinco minutos y durará una semana. Luego nunca llegan al mercado».
Si empresas como QuantumScape, Nissan y otras esperan cumplir sus promesas, tienen que superar obstáculos considerables. La doctora Yang Shao-Horn dirige un equipo de investigadores que trabajan para mejorar la eficiencia de los ASSB en el Laboratorio de Energía Electroquímica del MIT. Insta a ser cautelosos con las afirmaciones de los desarrolladores de ASSB comerciales sobre la duración del ciclo y la densidad energética. Hay muchas diferencias entre las posibilidades teóricas de esta tecnología y lo que se puede conseguir en la práctica, dice.
«Hay problemas para trasladar la densidad energética demostrada en una célula de laboratorio de investigación a una célula más grande para aplicaciones prácticas. La densidad energética tiene limitaciones físicas», afirma. Básicamente, no se pueden meter componentes sólidos en una batería como si fuera una maleta sobrecargada y luego decir que es más eficiente.
El mero hecho de producir las baterías será un reto. A diferencia de las baterías de iones de litio, las versiones de estado sólido respiran durante el uso, lo que puede alterar la presión sobre los materiales entre los electrodos. «En las baterías de iones de litio nos esforzamos mucho por controlar la temperatura dentro de un rango. En las baterías de estado sólido, probablemente gastaremos la misma cantidad de esfuerzo para controlar su presión dentro de un rango», afirma Darren H.S. Tan, cofundador de la startup de ASSB UNIGRID Battery.
A pesar de los obstáculos, Nissan, QuantumScape y otros afirman tener diseños o procesos que les permitirán aumentar la producción de baterías. Nissan destaca que su diseño contará con una «estabilidad de presión uniforme», refiriéndose, en parte, a la mitigación de la presión de la pila, el grado de contacto entre la capa de electrolito de la batería y los demás componentes. Una presión de apilamiento uniforme entre las distintas partes de la batería, que están dispuestas en capas como un pastel, ayuda a garantizar que la batería no se descomponga a ritmos diferentes en distintos lugares. Kenzo Oshihara afirma que el fabricante de automóviles sigue trabajando en este problema. «Si tenemos demasiada presión en la célula, tenemos algunos problemas de carga y descarga. Tenemos que controlar esa presión. Es una tarea bastante difícil».
QuantumScape pretende evitar el problema por completo realizando un ajuste en la típica configuración de capas de un ASSB; en esencia, una de esas capas se moverá. Las baterías de QuantumScape sólo contienen un electrodo de níquel-manganeso-cobalto o de litio-hierro-fosfato. En esta configuración «sin ánodo», todo el litio se encuentra inicialmente en el cátodo de la batería hasta que, tras la primera carga, migra a través del electrolito hasta la superficie del electrolito en el otro extremo de la batería, formando electroquímicamente un ánodo y asegurando una distribución equitativa de los iones de litio.
Los desarrolladores de ASSB también deben aprovechar de forma segura la alta densidad energética de las baterías. Las explosiones son un problema poco frecuente pero bien conocido en las baterías de iones de litio, en 2021 Chevrolet amplió una anterior retirada de su Volt EV para incluir todas las iteraciones del vehículo debido a los problemas de incendio de las baterías, que podría persistir en las ASSB. La investigación sugiere que el diseño general de las ASSB debería hacerlas más seguras que las baterías de iones de litio, pero los desarrolladores reconocen que tienen algunos riesgos.
«Estamos duplicando la densidad energética, lo que significa que la energía es muy alta, como la de una bomba, por ejemplo», afirma Yoshiaki Nitta, que dirige el grupo de estrategia de baterías de Nissan. «Tenemos que garantizar la seguridad de las ASSB. Hacemos hincapié en la seguridad ante todo».
El actual diseño sin ánodos de QuantumScape tampoco elimina del todo este riesgo, dice Kieran O’Regan, analista de la empresa de investigación de mercado Benchmark Mineral Intelligence. «En cualquier momento, si esas celdas son penetradas o abiertas, va a haber mucho litio volátil [expuesto], que es muy inflamable. Es difícil creer que el estado sólido pueda ser completamente seguro cuando depende de un metal muy reactivo y volátil.»
«Todavía tenemos que hacer pruebas, pero esperamos que nuestra batería sea más segura [que la de iones de litio]», afirma Asim Hussain. El director de marketing de QuantumScape asegura que la empresa ha probado sus baterías bajo una serie de presiones, y ha configurado sus celdas con un diseño de baja presión desde el principio.
Sea cual sea la primera empresa que introduzca su tecnología en los coches eléctricos, es posible que le cueste declararse vencedora de pleno derecho. Incluso si las gigafábricas masivas empiezan a producir baterías en lugares como QuantumScape, es probable que las ASSB sólo ocupen una pequeña parte del mercado de las baterías.
O’Regan dice que llegar a un «mercado masivo» podría ser optimista. «Gran parte de la idea de que las ASSB son el siguiente paso para los vehículos eléctricos es más bien un intento de construir una historia para los inversores», afirma. «Así que [los fabricantes de baterías] están vendiendo un mercado [de vehículos eléctricos] muy grande en el que no creo que los ASSB penetren tanto como se dice».
En cambio, O’Regan cree que las ASSB permitirán a los fabricantes de automóviles diferenciar sus VE, añadiendo autonomía a determinados modelos, por ejemplo. Dice que, para los vehículos de consumo más accesibles, como el Tesla Model 3, la empresa probablemente optará por una batería más asequible que un ASSB. «El coste será el [factor] de decisión clave para la tecnología de baterías en la mayoría de los vehículos eléctricos», afirma O’Regan.
El hecho de que las ASSB sean más caras de producir que las actuales baterías de litio es una cuestión de debate. Algunos fabricantes de ASSB proyectan que la tecnología reducirá el coste de los vehículos eléctricos. Nissan, por ejemplo, afirma que sus baterías podrían costar tan sólo 75 dólares/kwh en 2028, con un objetivo a largo plazo de 65 dólares/kwh, aproximadamente la mitad de los 132 dólares/kwh que costaban las baterías de litio en 2021. Pero algunos analistas se muestran escépticos, dado el bajo volumen inicial previsto para las baterías y el aumento de los costes de las materias primas. Los análisis independientes de Benchmark y de la empresa de datos financieros Bloomberg muestran una gran demanda de metales comunes para las ASSB, como el manganeso, el cobalto, el níquel y el hierro. «La mayoría de los ASSB por kilovatio-hora requieren más material que una batería de iones de litio», afirma O’Regan. «Tienes un electrolito que tiene litio, un cátodo que tiene litio y un ánodo que tiene litio».
La enorme inversión en la producción e infraestructura de baterías de iones de litio existentes podría ser otro obstáculo para la proliferación de las de estado sólido. General Motors gastará más de 35.000 millones de dólares en el desarrollo de vehículos eléctricos durante los próximos tres años, gran parte de ellos en las baterías de iones de litio Ultium de la empresa. El año pasado, Nissan, a pesar de su entusiasmo por las baterías de estado sólido, anunció que gastaría 17.600 millones de dólares en los próximos cinco años en el desarrollo de baterías de Li-on. «Hemos hecho una enorme inversión en baterías de litio líquido, como puedes imaginar», afirma Oshihara, de Nissan. «No vamos a renunciar a la inversión en baterías [de iones de litio]. No podemos aumentar drásticamente el número de ASSB. Así que nos gustaría ir introduciendo gradualmente las ASSB».
«Va a haber una fase de coexistencia», afirma Hussain, de QuantumScape. «Incluso si escalamos hasta donde esperamos con nuestra planta, eso sigue siendo una pequeña fracción de la demanda de baterías para vehículos de un fabricante como VW».
Los programas actuales de baterías de estado sólido han atraído enormes inversiones e interés en parte por el potencial que encierran: Las ASSB podrían ser el paso final para producir vehículos totalmente eléctricos que funcionen tanto como sus homólogos de combustión interna, se recarguen tan rápido y no cuesten más. En medio del escepticismo, empresas como QuantumScape han aprovechado esta visión convincente para construir líneas de preproducción y planificar las próximas gigafábricas. En todo el mundo se están realizando intensos esfuerzos para colocar baterías de estado sólido en los vehículos a mediados de la década, y Hussain, de QuantumScape, es categórico al afirmar que existe un mercado «masivo» para las empresas que lleguen primero a la meta. Ahora, al igual que las propias baterías, los científicos e investigadores que desarrollan las ASSB tienen que convertir esa energía potencial en algo cinético: un producto real con suficiente potencia para sacudir toda la industria del automóvil.
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Fte. Popular Mechanics
