Todo sobre las baterías de estado sólido

Las baterías de estado sólido representan una apuesta prometedora de la movilidad eléctrica, pero aún existen desafíos tecnológicos para que lleguen a la fase de producción.

Electrolito

Un electrolito es una sustancia que, cuando se disuelve o se funde, se descompone en iones cargados eléctricamente. Estos iones son portadores de carga eléctrica y pueden moverse libremente dentro del electrolito.

Los electrolitos pueden ser sólidos, líquidos o gaseosos, y son fundamentales para la conducción de la electricidad en diversas aplicaciones, como las baterías, las celdas electroquímicas y las soluciones electrolíticas utilizadas en la electroquímica y la química analítica.

En una solución electrolítica, los iones cargados positivamente se llaman cationes, mientras que los iones cargados negativamente se conocen como aniones. Cuando se aplica un potencial eléctrico a través de un electrolito, los iones se mueven hacia los electrodos con carga opuesta, lo que permite el flujo de corriente eléctrica.

Esta migración de iones es esencial para el funcionamiento de dispositivos electroquímicos, como las baterías, donde se produce una reacción química reversible en los electrodos.

En el contexto de las baterías de estado sólido, el electrolito es un componente clave que permite la conducción iónica entre los electrodos, sin la necesidad de un electrolito líquido.

Los electrolitos sólidos en las baterías de estado sólido reemplazan a los electrolitos líquidos convencionales presentes en las baterías de iones de litio tradicionales, lo que ofrece beneficios potenciales en términos de seguridad, densidad de energía y estabilidad del electrodo.

Tipos de electrolito sólido

Actualmente se buscan las mejores soluciones de electrolito. A día de hoy, hay tres candidatos principales compitiendo por ser la mejor opción: óxidos, sulfuros y polímeros

Cada uno de ellos presenta ventajas y áreas de mejora distintas, lo que podría dar lugar a su coexistencia en diferentes aplicaciones según las necesidades. Pero antes recordemos de qué elemento clave de una batería estamos hablando.

Óxidos

Los electrolitos sólidos basados en óxidos destacan por su alta estabilidad mecánica y química, lo que los hace compatibles con ánodos de gran capacidad específica y cátodos de alto voltaje.

También presentan una buena conductividad iónica, incluso a bajas temperaturas, lo que mejora su seguridad y facilidad de gestión.

Como contrapartida, los procesamientos y escalados de su fabricación son más costosos y menos compatibles con los métodos convencionales, lo que impacta en su coste final y precio de mercado.

Sulfuros

Los electrolitos sólidos basados en sulfuros se sitúan en un punto intermedio entre las alternativas anteriores.

Destacan por su alta conductividad iónica y propiedades mecánicas, que facilitan su procesamiento y la formación de buenos contactos con ánodos y cátodos. También ofrecen una solución adaptable para diversas aplicaciones y condiciones de uso, y su proceso de fabricación es más asequible en comparación con los óxidos.

El inconveniente es que la seguridad sigue siendo un desafío debido a su alta reactividad al aire y a la humedad, lo que genera un gas venenoso en altas concentraciones.

Polímeros

Los electrolitos poliméricos son la gran apuesta para la electrificación masiva en la industria del vehículo eléctrico. Por un lado, tienen una alta compatibilidad con el litio metálico, lo que se traduce en una mayor autonomía y alcance de los vehículos eléctricos.

Además, su potencial de industrialización en celdas más grandes y su escalabilidad inherente a los materiales plásticos los hacen más competitivos en términos de coste. El uso de materiales poliméricos también reduce el riesgo de inflamabilidad de las baterías, lo que mejora su seguridad.

Sin embargo, los desafíos técnicos que deben superarse para la industrialización masiva de los electrolitos poliméricos se centran en la conductividad iónica, que disminuye debido a la naturaleza semicristalina de los polímeros. Esto requiere aumentar la temperatura de funcionamiento, lo que implica la necesidad de sistemas de gestión de baterías adecuados.

Otros electrolitos potenciales

Además de los polímeros, óxidos y sulfuros, también hay nuevos tipos de electrolitos sólidos emergentes, que están despertando interés en la comunidad científica.

Los boratos muestran buena conductividad iónica y estabilidad, pero su proceso de síntesis complicado y costoso limita su potencial de explotación.

Los haluros presentan propiedades de procesabilidad similares a los sulfuros, pero son sensibles a la humedad y no son compatibles con el litio metálico como ánodo.

Avances importantes de los principales proveedores de baterías

SK On

SK On, un destacado fabricante de baterías para vehículos eléctricos, ha dado un paso importante en la evolución de las baterías con el anuncio de su último logro tecnológico.

La compañía reveló recientemente el desarrollo exitoso de un nuevo electrolito sólido a base de óxido con una conductividad de iones de litio líder en su clase. La conductividad de los iones de litio, que determina la velocidad de movimiento de estos iones, es un factor crítico para el rendimiento de las baterías y el tiempo de carga de los vehículos eléctricos.

SK On ha logrado un avance significativo al aumentar la conductividad de los iones de litio en un asombroso 70%, alcanzando un nivel líder en el mundo de 1,7 mS/cm (milisiemens por centímetro).

Pero el nuevo electrolito sólido de SK On no destaca únicamente por su conductancia eléctrica, sino también por su excepcional estabilidad en condiciones hasta ahora complejas para este tipo de tecnología. De hecho, los electrolitos sólidos son sensibles a la humedad y al dióxido de carbono, lo que limita su eficacia con el tiempo. Sin embargo, este nuevo electrolito a base de óxido demuestra una notable resistencia a estas condiciones adversas.

Además de su mejora en la conductividad iónica, este electrolito de estado sólido ofrece una ventaja significativa en términos de seguridad. Al minimizar la formación de dendritas de litio, estructuras que pueden causar cortocircuitos y riesgos de incendio en las baterías, se abre la puerta a una mayor fiabilidad y durabilidad de las baterías eléctricas.

Una innovación que no sólo tiene un impacto en las baterías de iones de litio tradicionales, sino que también promete revolucionar las baterías de próxima generación, como es el caso de las de litio-azufre y litio-aire, al permitir la transición hacia baterías totalmente de estado sólido.

Además, SK On planea aplicar esta tecnología a sus baterías compuestas de alto óxido molecular, que ya se encuentran en desarrollo, superando las limitaciones de las baterías de estado sólido de alto peso molecular.

Con estos avances, es de esperar que la capacidad de las baterías aumente hasta un 25%, lo que podría llevar a vehículos eléctricos con una autonomía aún mayor. SK On trabaja con el objetivo de llevar esta tecnología al mercado.

La hoja de ruta indica que los prototipos de baterías 100% de estado sólido estarán listos para 2026 y la comercialización comenzará en 2028.

Samsung SDI

Samsung es uno de los principales fabricantes de baterías para coches eléctricos que participa en esta "carrera" por la tecnología de estado sólido.

Samsung mostró sus avances en una batería de estado sólido con tecnología Super-Gap Edge. Las celdas sólidas de Samsung hacen uso de un electrolito de óxido estable en lugar de la solución de electrolito inflamable de hexafluorofosfato de litio que podemos encontrar en las baterías usadas actualmente por la industria del automóvil. Este importante cambio evitará los efectos de fuga térmica que pueden desencadenar el incendio en los coches eléctricos.

El fabricante surcoreano ha confirmado que espera estar en disposición de iniciar la producción masiva de baterías de estado sólido para coches eléctricos en el año 2027. Para entonces, se espera que los costes se hayan reducido lo suficiente para que los primeros eléctricos con baterías de estado sólido sean lo suficientemente asequibles como para impulsar el cambio a la movilidad eléctrica.

QuantumScape

QuantumScape es una empresa de tecnología estadounidense con sede en San José, California. En 2020, destacó sobre el resto de empresas que hablaban de esta tecnología cuando anunció la creación de un electrolito cerámico patentado.

En el primer trimestre de 2023 se presentaba el que sería su primer producto comercial, la denominada QSE-5, una celda sólida de aproximadamente 5 Ah. En su último informe, la compañía anuncia haber alcanzado hitos muy importantes en su hoja de ruta, entre ellos, además del envío de las celdas QSE-5 a varios socios para realizar pruebas en coches eléctricos reales, también anuncia la elección de un cliente potencial que será el primero en incorporarlas a sus modelos de producción.

En su última comunicación, afirman haber logrado aumentar la capacidad de carga de sus celdas, es decir, una mayor densidad energética en el mismo tamaño. Estos cátodos avanzados, basados en la tecnología de metal de litio, ofrecen una carga superior a 5 mAh/cm², significativamente más alta que los cátodos que QS ha enviado previamente a los clientes (~3,1 mAh/cm²). Para poner estos datos en contexto, la celdas cilíndricas 2170 utilizadas en algunos de los vehículos eléctricos de mayor autonomía del mercado actual alcanzan los 4,3 mAh/cm²). Ya se ha enviado estas nuevas celdas de alta carga a varios socios.

Anteriormente, ya había certificado una carga rápida del 10% al 80% en 15 minutos. Además, en este último informe se añaden mejoras de seguridad.