Mientras que no tengamos baterías de estado sólido, los coches eléctricos tienen un problema. A pesar de los avances de las baterías de iones de litio, las más empleadas por su buena capacidad energética, esta no alcanza por ahora la que puede encontrar en un depósito de gasolina, salvo que se sume un peso enorme al vehículo.
Un par de ejemplos: las baterías del Mercedes EQB pesan 469 kg, casi 10 veces más que un depósito lleno, para homologar 469 km de autonomía. Un kilogramo por cada km que quieras recorrer. En caso de buscar prestaciones, el ratio empeora: los 630 kg de peso que anuncian las baterías del Porsche Taycan como mucho 444 km antes de enchufarlo de nuevo.
Además, las baterías de iones de litio tienden a degradarse a medida que se realizan cargas. Esos son algunos de los problemas que pueden resolver las baterías de estado sólido.
¿Qué son las baterías de estado sólido?
Al igual que las baterías de iones de litio, las baterías de estado sólido cuentan con un ánodo y un cátodo, que son electrodos de metal (o también material compuesto) que están inmersos en un líquido conductor, el electrolito. Eso es lo que llamamos comúnmente celda y el conjunto de celdas forma una batería de mayor o menor capacidad.
En una batería de iones de litio convencional el electrolito es una sal de litio. Es la que logra los iones necesarios para que se produzca la reacción química reversible entre el cátodo y el ánodo. En una batería de estado sólido ese electrolito es un material sólido.
El desarrollo de este tipo de baterías corrió a cargo del premio Nóbel de química John B. Goodenough de la Universidad de Austin (Texas, EE.UU.), que emplea en sus investigaciones un electrolito de cristal, si bien otros investigadores emplean otros materiales.
5 beneficios de las baterías de estado sólido
Las baterías de estado sólido borrarían de un plumazo dos limitaciones de las baterías de ion litio convencionales: su limitada autonomía y los tiempos de recarga exageradamente largos.
- Mayor capacidad: Contar con un electrolito sólido permite el empleo de un ánodo de metal alcalino en el lado negativo. Esto aumenta la densidad de carga de la batería. En un mismo tamaño y peso se almacena mucha más energía. ¿Cuánta? Según las pruebas de John Goodenough, hasta tres veces más.
- Menores tiempos de recarga: Se habla de tiempos menores a una hora para recargarla por completo. Si bien no se han hecho públicas las capacidades y potencia de carga, podríamos estimar a un tercio los tiempos de carga actuales, muy bajos al principio y final de la carga para salvaguardar el buen estado de la pila,
- Mayor fiabilidad: El cristal permite que la batería funcione hasta con temperaturas ambientes de -20ºC (con las actuales el rendimiento cae mucho con temperaturas bajas). Además, a medida que las baterías de iones de litio completan ciclos de carga, el líquido se va solidificando con los cambios de temperatura, pasando entre el separador de ánodo y cátodo, perdiendo prestaciones.
- Mayor seguridad y vida útil: Al solidificarse el líquido del electrolito forma dendritas (cavidades) que rompen ese separador y la batería va perdiendo prestaciones. El electrolito sólido debería actuar como un escudo contra la aparición de esas dendritas que, en las baterías convencionales llegan a provocar con el paso del tiempo sobrecalementamiento o incluso cortocircuitos. Además, en caso de accidente, una batería de estado sólido no se incendiaría, algo que sí puede llegar a ocurrir en el caso de las de iones de litio, que obliga a los fabricantes a reforzar concienzudamente esa zona (añadiendo más peso al vehículo). Y es que en las baterías de estado sólido, su electrolito no es inflamable.
- Menor impacto climático: Una investigación de Transport & Environment indica que esta tecnología podría reducir la huella de carbono en torno a un 39 %, comparado con las FFP (ferrofosfato de litio) o NMC-811 (níquel, manganeso y cobalto). Podrían requerir más litio (en torno a un 35 % que una convencional de iones de litio, pero se utiliza mucho menos grafito y cobalto. Ese menor uso de materiales (unido a nuevos métodos de minería con menor impacto) reduciría las emisiones para fabricar coches eléctricos.
- Más económicas: Al hilo de lo anterior, según indican desde Bloomberg NEF, las baterías de estado sólido podrían tener un coste en torno al 40 % de las actuales. Este dato hay que tomarlo con cautela ya que los cálculos se realizaron antes de la pandemia.
Tipos de baterías de estado sólido
Actualmente existen dos tipos principales de baterías de estado sólido, sin una ventaja competitiva clara en cada una de ellas, ya que uno destaca en un área y otro en la contraria:
- Baterías con electrolito sólido a base de sulfuro: Tiene prestaciones sobresalientes, pero son menos seguras y su producción a gran escala complicada.
- Baterías con electrolito sólido polimérico: Más sencillas de producir, son estables pero sus prestaciones no son tan espectaculares.
Por ahora la complicación se da en la barrera entre el material de los electrodos y los electrolitos, conocida como interfaz. A los científicos les está costando que sea rápido el paso de iones entre electrodos. De ahí que se busquen nuevos materiales con una conductividad iónica similar a la de un electrolito líquido… y que además sea viable para producirlo a gran escala. Eso nos lleva a una posible solución:
- Baterías con electrolitos sólidos híbrido: Combinan un electrolito inorgánico y orgánico, tal y como estudian en la Universidad de Tecnología de Graz. Combinan electrolitos de cerámica, que ofrecen alta conductividad y estabilidad termodinámica, y de polímero, fácil de procesar, queriendo juntar lo mejor de ambos materiales.
¿Para cuándo las baterías de estado sólido?
El avance de las baterías de estado sólido es notorio, pero por ahora solamente se ha producido en laboratorio. Toca todavía superar algún escollo de índole técnica, como las altas temperaturas que precisan para que funcionen correctamente o la durabilidad del electrolito sólido.
También hay un problema de escalabilidad: poder industrializar el proceso de fabricación para producirlas a gran escala. Pero los fabricantes de coches están trabajando mucho en su desarrollo:
- Nio: El fabricante chino se atrevió a decir que podrá ofrecer esta tecnología a finales de 2022, con 150 kWh de capacidad junto a WeLion, que cuenta con una fábrica en Zibo, en la provincia China de Shandong. Cuentan en 2024 con una batería semisólida que ha superado ya 1.000 km con una sola carga en una prueba real en la carretera y en unos meses comenzará a producirla en serie para ir equipándola en sus modelos topes de gama.
- Ganfeng Lithium: El mayor productor de litio del mundo, ya ha comenzado las obras de su fábrica de baterías de estado sólido, que será la primera del mundo. Producirá 10 GWh al año y van a incluir un centro de investigación y desarrollo.
- Toyota: Es de las marcas que más ha avanzado de hecho planeaban introducir un prototipo con baterías de estado sólido en los Juegos Olímpicos de Tokio 2020. Cuentan con una fecha en firme para su llegada al mercado en un coche fabricado en serie: 2025. Eso sí, parece que no será un eléctrico, sino un híbrido, pues el coste sería más bajo. Trabaja en esta tecnología junto a Panasonic a través de una empresa conjunta y ya presentaron un prototipo, el Toyota LQ Concept.
- Stellantis: Hablan de 2026 como año para la llegada de coches con baterías de estado sólido. Se han aliado con Mercedes-Benz en Factorial, que anuncia una densidad energética volumétrica de 750 770 Wh/litro, con el objetivo de llegar a 1.000 Wh/litro. Un coche como el Mercedes EQS tiene una de 550 Wh/litro, para que lo veas en perspectiva.
- Renault-Nissan-Mitubishi: En las instalaciones de Nissan de Kanagawa (Yokohama, Japón) tienen una pequeña planta de producción de prototipos para celdas de baterías de estado sólido laminadas (ASSB). Su idea es llegue al mercado en 2028, tal y como anunciaron al presentar su plan a largo plazo, Nissan Ambition 2030, en
- Volkswagen: Invirtió 300 millones de euros en la startup QuantumScape, que investiga esta tecnología para ser uno de sus mayores accionistas. Cuentan con prototipo de una batería de 10 capas, que se carga hasta el 80% en 15 minutos y de retener hasta el 80% de su capacidad tras 800 ciclos de carga y descarga.
- BMW y Ford: han invertido en Solid Power, una empresa especialista en este tipo de baterías. Tienen una línea de producción piloto en Colorado (EE.UU.) y este mismo 2022 llegarán a los fabricantes las primeras baterías para probarlas en coches eléctricos. El fabricante bávaro ya ha prometido lanzar un vehículo de demostración con baterías de estado sólido antes de 2025.
- Hyundai-Kia: La empresa coreana ha asegurado que no esperemos un coche suyo movido por este tipo baterías al menos hasta 2030.
- SAIC: Los propietarios, entre otros, de MG y Maxus aseguró a principios de 2024 que aspira a montar las baterías de estado sólido muy pronto en sus vehículos. Colaboran con QingTao Energy en el desarrollo de estas baterías y podría ser IM Motors (su marca premium) las que las estrenase (está por ver si llega a Europa).
A pesar de que las fechas están relativamente cercanas, en el horizonte de menos de una década, eso no quiere decir que se impongan nada más llegar al mercado. Según The Faraday Institution, importante centro de investigación de baterías en Reino Unido, en 2030 las baterías de estado sólido apenas tendrán un 4% de cuota en el mercado de coches eléctricos. Y una década más tarde, en 2040, las veremos en uno de cada tres vehículos. Las baterías de iones de litio convencionales aún tienen recorrido.
Eso sí, aunque la técnica y la investigación provean de baterías de estado sólido con enorme densidad energética en poco espacio, segura y rápidas de cargar, será imprescindible una red de recarga numerosa, bien distribuida por todo el territorio y de capacidad energética potente para recudir los tiempos con el coche enchufado.
Fuentes: Science Direct, Transport and Environment
[NOTA: Información publicada originalmente el 20/9/2023, actualizada y ampliada]