La construcción de la batería perfecta, más eficiente y duradera ha alimentado uno de los debates más animados y relevantes en tecnología. De hecho, pocas otras áreas de investigación y desarrollo industrial muestran tal convergencia de intereses, procedentes de sectores tan dispares. La movilidad eléctrica, en particular, necesita un salto tecnológico.
En los últimos años, las políticas de reducción de emisiones de CO2 contribuyeron a incrementar las ventas de vehículos eléctricos. Especialmente en Europa y China. En promedio, explica el ‘Financial Times‘, los coches eléctricos son un 30% más caros que los tradicionales. La brecha se está cerrando rápidamente, pero las baterías de iones de litio siguen siendo demasiado caras, pesadas y voluminosas. Hasta el punto de imponer limitaciones de diseño en los coches.
Una de las observaciones recurrentes y más compartidas en el debate acerca de la batería perfecta es el desequilibrio entre la rápida evolución de los dispositivos tecnológicos y el escaso avance de las baterías que los alimentan. En los últimos 20 años, la densidad de energía de las baterías tradicionales ha crecido en promedio un 4% cada año, hasta alcanzar los 700 vatios hora por litro (Wh/l). Lo que en un automóvil se traduce aproximadamente en una autonomía de unos 500 kilómetros. El volumen que ocupan las células y los electrolitos líquidos dificulta la obtención de mejores resultados.
Los límites de las baterías de iones de litio
El coste de las materias primas necesarias para fabricar baterías de iones de litio está aumentando rápidamente. La construcción de una batería para un coche eléctrico requiere de media unos 20 kilos de níquel, hasta 20 kilos de cobalto y unos 60 de compuestos de litio. Para el cobalto y el litio, los analistas predicen que la demanda superará la oferta en los próximos años. Algo que ya pasa con el cobalto. El litio, en cambio, es un recurso abundante pero difícil de adaptar a la producción de baterías. La construcción de las instalaciones mineras puede tardar hasta una década.
Tradicionalmente, las baterías de iones de litio contienen la misma cantidad de níquel, cobalto y manganeso. Sin embargo, ahora el sector tiende a aumentar el porcentaje de níquel hasta del 80% para almacenar más energía y aumentar la autonomía. De esta forma se bajan los costes pero se obtiene un producto final más inestable. Y por tanto con mayor riesgo de incendio. Otras combinaciones favorecen la seguridad pero a expensas de la densidad energética.
Las baterías de iones de litio actuales, por tanto, tienen unos límites difíciles de sortear: peso, coste y lentitud en la recarga. También presentan una serie de riesgos de seguridad, siendo propensas a incendios y explosiones. Todos estos factores conducen a la búsqueda de la batería perfecta. El mejor candidato actualmente es la batería de estado sólido, donde la sustancia que permite el paso de la corriente eléctrica (electrolito) es sólida en lugar de líquida.
¿La batería perfecta?
Las baterías acumulan y liberan electricidad al pasar un flujo de electrones entre el electrodo negativo (ánodo) y el positivo (cátodo), separados entre sí por el electrolito. Durante la recarga, las baterías de litio mueven los iones de litio del cátodo al ánodo. Cuando el ánodo está hecho de litio metálico, la posibilidad de cortocircuitos e inestabilidad depende de que tienden a formarse estructuras en forma de aguja en la superficie del ánodo. Son las dendritas, que crecen en el electrolito como estalactitas, perforando la barrera que separa el ánodo y el cátodo.
Un estudio de Harvard, publicado en ‘Nature‘, ha presentado un modelo de batería de estado sólido que resuelve el problema de las dendritas. La solución es un electrolito multicapa, compuesto de diferentes materiales y con estabilidad variable. De esta forma se controlan las dendritas de litio, evitando que atraviesen el electrolito. El aspecto relevante del proyecto es que aprovecha las diferentes propiedades de los materiales utilizados en las capas sólidas de electrolitos. La combinación evita cortocircuitos y el riesgo de incendio típico de la solución líquida utilizada como electrolito en las baterías de iones de litio.
Por un lado, la densidad energética podría superar los 1000 Wh/l, equivalente a una autonomía de unos 800 kilómetros. Por el otro, los posibles ciclos de carga sin degradación de la batería alargarían enormemente su vida. Esto reduciría mucho los costes para el cliente y los coches eléctricos tendrían una vida útil igual que la de un coche tradicional. Sin la necesidad de sustituir la batería. Además, la recarga se realizaría en 10-20 minutos. Podría ser un verdadero punto de inflexión en la búsqueda de la batería perfecta.
Las perspectivas de las baterías de estado sólido
Desde el punto de vista de las materia primas, las baterías de estado sólido podrían reducir la necesidad de cobre y aluminio. Y eliminarían por completo la del cobalto y el grafito. Sin embargo, esto no valdría para la batería multicapa de Harvard, que utiliza diferentes materiales. En cualquier caso, todavía existen varias dificultades prácticas para poder hablar realmente de la batería perfecta.
Los mayores problemas están relacionados con los costes de producción a gran escala de los prototipos actuales. Para equipar un coche eléctrico de largo alcance, sería necesario desarrollar un número de células 20 veces superior al número probado en laboratorio hasta ahora. En ausencia de una producción mayorista y con los costes actuales, según los cálculos del ‘Financial Times’, la producción de una batería de este tipo costaría alrededor de 80000 euros.
La empresa más conocida entre las que actualmente se dedican a la producción de baterías de estado sólido es QuantumScape. Una startup californiana financiada por Volkswagen y Bill Gates, entre otros. Espera alcanzar la producción comercial en 2024. En cambio, Solid Power, una empresa de Colorado (EE.UU.), está produciendo lotes a pequeña escala de baterías de múltiples capas de metal de litio. Ya ahora garantizarían un mayor kilometraje que la mayoría de las baterías en uso. La compañía espera alcanzar la producción para automóviles en 2025.
Además, tanto Toyota como Samsung están directamente involucradas en el desarrollo de sus propios prototipos de baterías de estado sólido. Y la segunda ya ha firmado varios contratos de suministro para los próximos 10 años. Incluido uno con BMW por valor de unos 2900 millones de euros. La movilidad eléctrica ya es una realidad, veremos si, impulsados ??por la urgencia, finalmente encontraremos la batería perfecta.
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