El futur de la mobilitat elèctrica: les bateries d’estat sòlid

Si bé és cert que cada vegada apareixen models de cotxes elèctrics molt competitius, perquè la mobilitat elèctrica sigui una realitat, les autonomies que ofereixen els vehicles elèctrics haurien de ser encara majors.

I aquesta és, precisament, la tasca fonamental de les bateries d’estat sòlid, a més d’oferir una major estabilitat i seguretat.

Què són les bateries d’estat sòlid?

La tecnologia de les bateries d’estat sòlid no deixa de ser una evolució de les actuals bateries d’ió de liti (Li-Ion); no només utilitzades en els vehicles elèctrics sinó també en tot tipus de dispositius electrònics, com els smartphones.

John B. Goodenough –científic i físic alemany-americà a qui se li atribueix el desenvolupament de la bateria d’ió liti– als seus 97 anys lidera també el desenvolupament de la bateria d’estat sòlid mitjançant electròlits inorgànics de cristall. I, de fet, no és l’únic que investiga en aquest sentit, ja que la Universitat de Califòrnia a San Diego també ha apostat per sòlids inorgànics com els òxids ceràmics i els vidres de sulfur.

La introducció al mercat de les bateries sòlides permetrà oferir major autonomia, major seguretat i estabilitat, reducció de costos econòmics i períodes de recàrrega molt més curts.

En què es diferencien les bateries sòlides de les actuals bateries d’ió de liti?

• Les actuals bateries d’ió liti

Per una banda, la bateria d’ió liti està formada per dos elèctrodes; el càtode i l’ànode, que estan dividits per un separador, integrats en una cel·la i immersos en l'electròlit, un líquid conductor que fa reaccionar de forma química els ions necessaris entre els elèctrodes. I la combinació de múltiples cel·les forma la bateria.

Doncs bé, quan arranquem el nostre vehicle s’activen aquestes reaccions químiques que posen en marxa la circulació de ions entre elèctrodes, produint així electrons, traspassant-se als borns de la bateria i generant energia. I quan recarreguem la bateria, les partícules circulen en la direcció contrària i es produeix l’efecte invers.

Com ja sabem, aquestes bateries tenen una vida útil limitada d’entre 8 i 10 anys, el que equival a uns 3.000 cicles de recàrrega complerts. Això es deu al fet que el liti líquid, amb el temps, es va solidificant i creant petites cavitats anomenades dendrites, culpables de debilitar la bateria, provocar sobreescalfaments i curtcircuits.

I no només això, sinó que un altre dels problemes que presenta l’electròlit líquid és que és inflamable, cosa que requereix sistemes de seguretat i de refrigeració per evitar acumulacions de calor i pèrdues de capacitat. I tot això es tradueix en major cost, pes i volum per la bateria.

• Les prometedores noves bateries

Per altra banda, la principal diferència en la bateria d’estat sòlid recau en l’electròlit que, en aquest cas, en comptes de ser líquid és sòlid. En altres paraules, les cel·les d’emmagatzematge d’energia d’aquestes bateries no contenen un líquid conductor, sinó que estan formades per un compost sòlid que fa la mateixa funció que l’electròlit líquid: transmet els ions entre els elèctrodes per tal de generar energia.

El funcionament general ve a ser el mateix, però el fet d’utilitzar un electròlit sòlid inorgànic facilita múltiples aspectes. I, per ser més concrets, l’equip de John B. Goodenough, en col·laboració amb l’enginyera María Helena Braga, ha presentat ja, a l’abril de 2020, la seva patent d’electròlit de vidre sòlid. La seva versió compta amb un ànode de metall alcalí que permet augmentar la densitat energètica i la vida útil de la bateria.

Gràcies a les imatges de Spring8 ens podem fer una idea de quin és el funcionament d’aquestes noves bateries respecte les actuals d’ió liti.

Així doncs, quins avantatges ofereixen les bateries d’electròlit sòlid?

Menor cost de producció i venda, major seguretat, major vida útil, major densitat energètica i majors possibilitats de reciclatge.

• Increment en la densitat de càrrega i major vida útil

Utilitzar un compost sòlid en les cel·les permet disposar d’una densitat energètica major, cosa que es tradueix en una capacitat major d’emmagatzematge d’energia. En el cas del vidre, és capaç d’emmagatzemar més energia en menys pes.

Per ser més concrets, aquest tipus de bateries serien capaces d'emmagatzemar fins a tres i inclús cinc vegades més energia que les seves equivalents bateries d’ió de liti. Per tant, això significa que permeten autonomies molt superiors.

A més, no només permeten ampliar els cicles de càrrega i descàrrega (cosa que possibilita augmentar la seva vida útil), sinó que també redueixen el drenatge passiu (la descàrrega de la bateria quan no és utilitzada).

Les bateries de liti-vidre desenvolupades per John B. Goodenough són capaces de suportar més de 20.000 cicles de càrrega complerts (en proves de laboratori han arribat a superar els 23.000 cicles).

• Reducció en els temps de recàrrega

Les bateries sòlides acceleren les recàrregues i proporcionen temps de càrrega molt més curts (de tan sols uns minuts), ja que aquests temps es redueixen fins a sis vegades menys respecte les actuals d’ió liti.

I això es deu al fet que la bateria, en estar formada per un compost sòlid inorgànic (com el vidre), permet desplaçaments entre elèctrodes més fàcils i ràpids.

• Major seguretat

Gràcies a la prevenció en la formació de dendrites i al fet d'eliminar la possibilitat d’explosió i d’incendi –que sí tenen les bateries de ions de liti actuals (tot i que recordem que el risc d’incendi és quatre vegades major en un gasolina o dièsel que en un elèctric)–, és possible incrementar encara més la seguretat proporcionada.

Així doncs, les bateries d’electròlit sòlid, en escalfar-se molt menys, no necessiten sistemes de seguretat ni de refrigeració que evitin acumulacions de calor. Tampoc necessiten separadors entre elèctrodes, ni la coberta impermeable protectora que, al cap i a la fi, sumen costos, pes i més de la meitat del volum de les bateries d’ió liti.

I, per si fos poc, aquestes noves bateries funcionen de forma òptima inclús en temperatures extremes de fins -20ºC.

• Producció en sèrie i reducció de costos

La producció en sèrie encara està en fase d’investigació, però si parlem d’un material com el cristall, de fàcil i ràpida fabricació, permetria rebaixar molt el cost total tant de la bateria en sí com del propi vehicle elèctric. I, a més, possibilitaria fabricar les cel·les a partir de materials molt més sostenibles que les actuals d’ió liti.

Un altre factor molt important a tenir en compte és que aquestes bateries permetrien eliminar pràcticament en la seva totalitat el cobalt present en les cel·les; una matèria prima molt cara, escassa i no sostenible.

Quan aterraran al mercat?

En un inici no s’esperava la comercialització d’aquest tipus de bateries com a mínim fins d’aquí una dècada. No obstant, més d’un fabricant ja ha començat a apostar per aquest tipus de tecnologia i inclús en desenvolupar la seva pròpia patent, com John B. Goodenough i Samsung. Toyota, Porsche, BMW, Fisker, Hyundai, General Motors, Honda, Nissan, Daimler i Volkswagen són exemples de marques que ja estan invertint en el seu desenvolupament.

Samsung va presentar al març del 2020 els seus avanços en el desenvolupament de bateries d’electròlit sòlid, el prototip del qual promet produir bateries un 50% més petites que les actuals. La companyia estima que, en un parell d’anys, podria presentar el seu primer smartphone amb aquesta nova tecnologia.

Toyota, per exemple, fins ara s’havia negat a produir cotxes purament elèctrics ja que considerava que encara existien dues limitacions molt clares: la recàrrega i l’autonomia del vehicle elèctric. Doncs bé, ara, amb el desenvolupament de l’electròlit sòlid, Toyota llançarà, per fi, el seu primer cotxe 100% elèctric amb bateria d’estat sòlid el pròxim 2022.

Es tracta del nou C-HR EV que, el passat mes d’abril ja ha aterrat als primers concessionaris xinesos, però a Europa se suposa que trigarà com a mínim un parell d’anys més en arribar. Sota la nova companyia "Prime Planet Energy & Solutions", la nova joint venture amb Panasonic, s’esperava que aquest mateix any la marca presentaria als Jocs Olímpics de Tokio un cotxe elèctric propulsat per bateries amb electròlit sòlid, però a causa del coronavirus haurem d’esperar una mica més!

Quin és el futur d’aquesta tecnologia?

Un nou estudi del MIT (Institut de Tecnologia de Massachusetts) treballa també amb el disseny d’un ànode de metall fet de liti pur.

Prologium (fabricant taiwanès de bateries) ha anunciat a principis d’aquest any en el CES (escenari mundial on es presenten innovacions tecnològiques) un acord amb diferents fabricants d’automòbils per instal·lar les noves bateries d’estat sòlid d’alt voltatge amb electròlit ceràmic (basades en la tècnica MAB, Multi Axis BiPolar+) als seus cotxes elèctrics. Per la seva banda, KITECH (The Korea Institute of Industrial Technology) tampoc vol quedar-se enrere davant aquesta prometedora nova tecnologia.

Hi ha qui apunta que el futur de la bateria d’estat sòlid serà utilitzant silici en comptes de cristall, altres que el més prometedor és utilitzar vidre a base de sodi (sal), per ser un material molt comú a la terra i de baix impacte mediambiental.

No obstant, encara que tant el mètode com el moment d’implantació d’aquesta tecnologia sigui un tant incert i s’hagi de realitzar tenint en compte processos de reutilització i reciclatge, el que està clar és que suposarà una autèntica revolució i no només en la mobilitat elèctrica sinó en tota la indústria electrònica.

T’imagines el transport privat, el transport pesat de mercaderies, el sector de l’aviació i el sector marítim propulsats per bateries elèctriques sostenibles? Un adéu definitiu al motor de combustió i a la contaminació. Un somni fet realitat?