Es un hito. Las baterías de estado sólido de Toyota han llegado al mercado. Desde que Alessandro Volta inventó la primera batería en 1800, el mundo ha experimentado cambios significativos al adoptar esta tecnología a una velocidad acelerada. A lo largo de los años, esta tecnología ha evolucionado y se han usado diferentes materiales hasta que el mercado se estancó en baterías de litio. Sin embargo, las aplicaciones modernas, como los vehículos eléctricos, requieren una gran densidad de energía y tiempos de recarga bajos. Por consiguiente, los mayores fabricantes de baterías del mundo comenzaron a investigar una nueva tecnología, las baterías de estado sólido.
Vamos a hablar sobre una batería que puede destronar a las baterías de iones de litio. Haremos un repaso de las compañías líderes en su desarrollo y en los avances revolucionarios que presentó Toyota.
¿Cuál es el componentes más importantes de un vehículo eléctrico?
Las baterías de litio se han convertido en el componente clave de los vehículos eléctricos desde su aparición en la década de los 90. Estas baterías poseen una alta densidad energética, lo que significa que pueden almacenar mucha energía en un espacio reducido. Sin embargo, se ha determinado que estas baterías ya alcanzaron su límite y se necesitan mejoras significativas para combatir el cambio climático.
Para que la revolución de la energía eléctrica sea exitosa, se necesitan baterías mejoradas que solucionen los problemas de las existentes que son de litio. Estas deben ser fabricadas con materiales que no son escasos, como el cobalto y el níquel, y ser procesadas de manera que no encarezcan el producto final. Esta búsqueda por una nueva batería ha venido sucediendo desde hace tiempo y los principales productores del mundo están experimentando con distintas combinaciones químicas. Incluso los gobiernos se han involucrado para contribuir en la mejora de la cadena de suministro. La crisis climática es cada vez más preocupante, por lo tanto, el tiempo es un recurso limitado. Los vehículos que usan combustible fósil son uno de los principales contribuyentes a la contaminación. Afortunadamente, existen nuevas tecnologías que están siendo desarrolladas para llegar al mercado pronto.
Los problemas de las baterías de litio que hacen del vehículo eléctrico una pesadilla.
Los vehículos eléctricos están compuestos por muchas celdas de baterías de iones de litio. Cada celda está formada por cuatro partes principales que la hacen funcionar como una batería: un ánodo o polo positivo, un cátodo o polo negativo, un separador y un electrolito líquido. La batería utiliza energía al mover los iones desde el ánodo al cátodo a través del electrolito, lo que genera electrones que producen electricidad. Cuando una batería se carga, sucede lo contrario: los iones se desplazan desde el cátodo al ánodo, proporcionando energía potencial que luego se usa para cargar la batería. En el caso de los iones de litio, estos son, como su nombre sugiere, de litio.
Las primeras aplicaciones de esta tecnología fueron las cámaras de video Sony. A pesar de no ser la mejor opción en cuanto a eficiencia, los fabricantes de vehículos eléctricos la han usado debido a la gran disponibilidad y popularidad. Estas baterías presentan ciertas limitaciones, como su baja resistencia a temperaturas extremas, su tiempo de vida reducido y otros inconvenientes que veremos a continuación.
Uno de los mayores problemas con las baterías de litio es su costo. Su elevado precio hace que los vehículos eléctricos sean una opción inalcanzable para muchos países. Está determinado por varios factores, como el uso de litio, níquel y cobalto, que son escasos y tienen procesos de extracción difíciles y polémicos. Estos metales también deben ser refinados, lo que añade aún más costos a su producción. El precio por kilovatio de una batería de litio es de 150 dólares aproximadamente, aunque ha disminuido en los últimos años, sigue sin ser competitivo frente a las alternativas basadas en combustibles fósiles.
Las baterías de litio tienen ciertos inconvenientes cuando son expuestas a temperaturas extremas. Esto afecta el encendido de vehículos en entornos fríos y cálidos, así como en aplicaciones espaciales. Esto se debe a que los componentes de la batería de litio se debilitan en condiciones de alta o baja temperatura, lo cual reduce su eficiencia. Los cátodos se ven especialmente afectados, disminuyendo su capacidad hasta un 5% y necesitando cargarse con mayor frecuencia, lo que acorta su vida útil. Estas baterías tienen una elevada densidad energética, lo que les permite almacenar una gran cantidad de energía de forma rápida, pero esta ventaja se ve compensada por su corta duración.
Los ciclos de carga y recarga desgastan las baterías, por lo que pierden un porcentaje de su rendimiento en cada uso. Según las estimaciones, pueden atravesar entre 300 y 500 ciclos.
Los fabricantes de baterías de iones de litio se enfrentan a desafíos relacionados con la movilización y seguridad de sus productos. Estas baterías se clasifican como artículos peligrosos para el transporte aéreo, por lo que se han adoptado ciertas medidas para su envío. Estas regulaciones exigen que las baterías se transporten en grupo y con un nivel de carga no superior al 30% de la capacidad máxima. Esto se debe a que las baterías pueden explotar dentro de los aviones si no se toman las debidas precauciones.
Además del problema del transporte, su inestabilidad se refleja en el alto riesgo que corren los usuarios de vehículos eléctricos. Los fabricantes deben instalar circuitos de seguridad para proteger las baterías en caso de emergencia, lo que conlleva un aumento de costos, complica el proceso de reciclaje y hace que las baterías sean más pesadas, generalmente representando un tercio del peso total del vehículo.
Las compañías líderes que están invirtiendo en baterías de estado sólido.
Las baterías de litio deben ser desplazadas del mercado para que la revolución eléctrica tenga éxito. Sin embargo, ¿qué tecnología las puede reemplazar? Las baterías de estado sólido surgieron como una alternativa más que interesante en el mercado, respaldadas por compañías como Samsung, Quantum Escape, Brightvolt, Fisker y Toyota. Veamos lo que ha hecho cada una.
Samsung
Samsung no quiere quedarse atrás en el progreso de las baterías de estado sólido. Por tanto, ha estado trabajando en esta tecnología en conjunto con otras instituciones japonesas de investigación. Desde 2013 han presentado prototipos de estas baterías, pero sin embargo, no se encontraban listas para ser comercializadas. Ahora están listos para comenzar la comercialización de sus baterías de estado sólido, con la capacidad de sobrepasar el millar de ciclos de carga y descarga, y un alcance de 800 kilómetros por una sola carga. Esto se alinea con los requerimientos de la compañía, buscando desarrollar baterías seguras y con una mayor eficiencia que las existentes en el mercado. Aún hay desafíos por superar para comercializar estas baterías, como la falta de un sector exclusivo para la producción de estas baterías. Por lo tanto, Samsung está construyendo sus nuevas instalaciones, conocidas como S-Line, para producir baterías de estado sólido utilizando nuevos métodos de producción e infraestructura. Tienen la ventaja de haber desarrollado y producido prototipos de baterías funcionales desde hace algún tiempo, además de haber fabricado los primeros modelos sin ánodo de baterías de litio, aumentando su densidad energética y seguridad. El CEO de Samsung ha afirmado que con la inauguración de los cuarteles S-Line, la compañía se convertirá en la número uno en el desarrollo tecnológico del mundo.
Quantum Escape
Quantum Escape reconoce que la capacidad de rendimiento de las baterías de litio ha llegado prácticamente a un límite. Por esta razón, desarrollaron dos innovaciones principales: una arquitectura sin ánodos y el uso de separadores sólidos cerámicos. Estas tecnologías tienen el potencial de abrir la puerta a una nueva era de almacenamiento de energía. Ambos avances buscan mejorar la densidad energética, lograda al eliminar el ánodo, lo que resulta en baterías de Quantum Escape con un considerable aumento de densidad energética.
Carga rápida: Esta tecnología permite recargas de hasta el 80% en menos de 15 minutos. Seguridad al eliminarse el separador orgánico y reemplazarse por uno sólido no inflamable, aumenta considerablemente la seguridad.
Los costos de la tecnología Quantum Escape son más bajos debido a su proceso simple y directo. Estos beneficios se obtienen gracias a la utilización del metal de litio como ánodo, el cual necesita un separador de estado sólido para evitar reacciones con el litio. Esto permite una mayor densidad energética, una carga más rápida y otras ventajas. Para lograr estos resultados, Quantum Escape combinó un separador cerámico con un electrolito de gel orgánico para el cátodo, también conocido como catolito. Estos requerimientos son diferentes y encontrar un material que cumpla con ambos es difícil. Esto a menudo lleva a materiales que no cumplen bien con los requisitos y las células fallan debido a la formación de dendritas y la falta de conductividad. Sin embargo, Quantum Escape ha encontrado un material que cumple con los requisitos y sus baterías podrían estar pronto en el mercado.
Brightvolt Brightvolt
Brightvolt es una empresa que busca mejorar el mundo mediante el desarrollo de baterías de estado sólido eficientes. Desde su lanzamiento al mercado, han vendido 15 millones de baterías. Ahora, están trabajando en una nueva plataforma de baterías con electrolitos de polímero destinado para dispositivos electrónicos recargables. Sus tecnologías patentadas, conocidas como Brightvolt PME (Polímero Matrix Electrolyte), ofrecen una gran densidad energética, menor costo total y son respetuosas con el medio ambiente. Su enfoque revolucionario al diseño y producción de polímeros de baterías de litio ofrece mayor estabilidad, seguridad y tolerancia al abuso de la célula de batería. El proceso consta de tres pasos:
- Creación de la mezcla de polímeros que incluye sal de litio, solvente y polímero.
- Agregado de la mezcla en cátodos.
- Agregado del solvente en el ensamblado de la batería para aumentar la conductividad iónica y la adhesión. El uso de polímeros permite que se mejore el lazo que une los componentes de los electrodos. De esta manera se pueden utilizar capas más finas que reducen el peso de la batería y, en consecuencia, aumentan su densidad energética.
Fisker
Fisker dejó de lado sus aspiraciones de producir una batería de estado sólido operativa. A pesar de esto, es necesario reconocer su contribución al campo de la energía almacenada, ya que los descubrimientos que realizó ayudaron a otros fabricantes a dar un paso adelante. El prototipo de batería de Fisker era una estructura tridimensional, formada por celdas de estado sólido, que ofrecía un área 25 veces mayor que las baterías tradicionales. Se esperaba que produjera entre dos y tres veces más energía que una batería de litio, a un costo menor. El trabajo químico realizado por Fisker fue de mucha utilidad para otras empresas, que aprovecharon sus descubrimientos para evitar los errores que Fisker había cometido. Finalmente, Fisker decidió abandonar su proyecto de baterías de estado sólido, ya que el proceso se volvía cada vez más complejo, y en su lugar se enfocó en el lanzamiento de vehículos eléctricos con baterías de litio.
Toyota
Toyota está invertiendo grandes sumas de dinero para desarrollar vehículos eléctricos con baterías de estado sólido. Previamente, sus intentos de invertir en baterías de hidrógeno fueron un fracaso. Sin embargo, han entendido la lección y han decidido seguir la tendencia de los vehículos eléctricos. Estos nuevos vehículos tendrán una autonomía más larga que los vehículos con baterías de litio, sin sacrificar el espacio interior o el tamaño del vehículo.
Toyota está liderando el desarrollo de baterías de estado sólido con alrededor de mil patentes relacionadas. Prometen ofrecer una mayor seguridad y una densidad energética mucho mayor a la actual, además de reducir los tiempos de carga a dos tercios. Sin embargo, hay mucho más detrás de esta innovación de la compañía.
¿Cuál es la magia de las baterías de estado sólido que promete Toyota?
La industria automotriz se verá dominada por los vehículos eléctricos. Los fabricantes más grandes del mundo, como Toyota, ya se han comprometido a dejar de producir automóviles a gasolina para 2030 o antes. Sin embargo, esta transición requiere una gran inversión en infraestructura para mejorar la resistencia de la red eléctrica, así como en nuevas baterías como las que promete Toyota. Los límites de la batería de litio son conocidos por todos los fabricantes. Existen packs demasiado grandes, por lo que no se pueden incluir más celdas para mejorar el rendimiento. Las baterías de estado sólido, a diferencia de las de litio, usan un electrolito sólido de cerámica en lugar de uno líquido. Esto hace que los packs sean más ligeros, seguros y compactos, ya que no hay líquidos peligrosos en su interior.
La tecnología de estado sólido no es un concepto totalmente nuevo. Se ha usado en marcapasos y relojes durante mucho tiempo. Son baratas, seguras y tienen una mayor duración y tiempos de carga reducidos. Estas baterías pueden alcanzar la carga completa en cuestión de minutos, y mantienen el 90% de su capacidad luego de 5000 ciclos de carga y descarga. A diferencia de las baterías de litio, que empiezan a desgastarse luego de 1000 ciclos. Anteriormente, el problema para usar estas baterías en vehículos era la dificultad para escalarlas. Sin embargo, el progreso de Toyota y otras empresas cambió esta situación. Toyota llevó a cabo el desarrollo de esta tecnología con la presentación del LQ Concept, un prototipo de uno de sus vehículos alimentado por estas baterías. Primero fue presentado en 2019 como una demostración de la inteligencia artificial y ahora se ha convertido en el ejemplo de la tecnología que desarrolló Toyota.
En el pasado, muchos productores han intentado descubrir los enigmas detrás de las baterías de estado sólido, sin embargo, pocos lo han logrado. Crear una batería de estado sólido robusta que pueda soportar los requerimientos de un automóvil es una tarea complicada. La magia de Toyota les dio la oportunidad de fabricar un dispositivo con la capacidad de aguantar miles de ciclos de carga y descarga sin fallar, además de proveer al vehículo de energía de manera eficiente. Una vez que hallaron la combinación adecuada de materiales, se requiere una línea productiva capaz de satisfacer la demanda del mercado. Esto significa que deberán trabajar conjuntamente con otros productores y aumentar su capacidad para ofrecer cientos de miles de gigavatios de energía, lo cual asegurará el futuro eléctrico. El desafío es encontrar la manera de producir una gran cantidad de baterías a un precio competitivo. Por el momento, existen pocos casos como el de Toyota, donde se usan estas baterías para alimentar los vehículos. El logro que alcanzó la compañía japonesa es único y le permite adquirir una ventaja en la industria de las baterías de estado sólido y los coches eléctricos. En los últimos años surgió una gran cantidad de tecnologías con el propósito de satisfacer las necesidades de la humanidad, pero esta vez es diferente. Las baterías de estado sólido poseen todas las cualidades para reemplazar a las baterías de litio, ya fueron probadas y aún se investigan. Las posibilidades de que triunfen superan las probabilidades de que fracasen. Esto contribuye a abrir el camino hacia la revolución verde.
