El futuro de la movilidad eléctrica: las baterías de estado sólido

Si bien es cierto que cada vez aparecen modelos de coches eléctricos muy competitivos, para que la movilidad eléctrica sea una realidad, las autonomías que ofrecen los vehículos eléctricos deberían ser aún mayores.

Y esa es, precisamente, la tarea fundamental de las baterías de estado sólido, además de ofrecer una mayor estabilidad y seguridad.

¿Qué son las baterías de estado sólido?

La tecnología de las baterías de estado sólido no deja de ser una evolución de las actuales baterías de iones de litio (Li-Ion); no sólo utilizadas en los vehículos eléctricos sino también en todo tipo de dispositivos electrónicos, como los smartphones.

John B. Goodenough –científico y físico alemán-estadounidense a quien se le atribuye el desarrollo de la batería de ion-litio– a sus 97 años lidera también el desarrollo de la batería de estado sólido mediante electrolitos inorgánicos de cristal. Y, de hecho, no es el único que investiga en ese sentido, puesto que la Universidad de California en San Diego también ha apostado por sólidos inorgánicos como los óxidos cerámicos y los vidrios de sulfuro.

La introducción en el mercado de las baterías sólidas permitirá ofrecer mayor autonomía, mayor seguridad y estabilidad, reducción de costes económicos y períodos de recarga mucho más cortos.

¿En qué se diferencian las baterías sólidas de las actuales baterías de iones de litio?

• Las actuales baterías de ion-litio

Por una parte, la batería de ion-litio está formada por dos electrodos; el cátodo y el ánodo, que están divididos por un separador, integrados en una celda e inmersos en el electrolito, un líquido conductor que hace reaccionar de forma química los iones necesarios entre los electrodos. Y la combinación de múltiples celdas forma la batería.

Pues bien, cuando arrancamos nuestro vehículo se activan estas reacciones químicas que ponen en marcha la circulación de iones entre electrodos, produciendo así electrones, traspasándose a los bornes de la batería y generando energía. Y cuando recargamos la batería, las partículas circulan en la dirección opuesta y se produce el proceso inverso.

Como ya sabemos, estas baterías tienen una vida útil limitada de entre 8 y 10 años, lo que equivale a unos 3.000 ciclos de recarga completos. Eso se debe al hecho que el litio líquido, con el tiempo, se va solidificando y creando pequeñas cavidades llamadas dendritas, culpables de debilitar la batería, provocar sobrecalentamientos y cortocircuitos.

Y no sólo eso, sino que otro de los problemas que presenta el electrolito líquido es que es inflamable, lo que requiere sistemas de seguridad y de refrigeración para evitar acumulaciones de calor y pérdidas de capacidad. Y todo esto se traduce en mayor coste, peso y volumen para la batería.

• Las prometedoras nuevas baterías

Por otra parte, la principal diferencia en la batería de estado sólido recae en el electrolito que, en este caso, en lugar de ser líquido es sólido. En otras palabras, las celdas de almacenamiento de energía de estas baterías no contienen un líquido conductor, sino que están formadas por un compuesto sólido que hace la misma función que el electrolito líquido: transmite los iones entre los electrodos para generar energía.

El funcionamiento general viene a ser el mismo, pero el hecho de usar un electrolito sólido inorgánico facilita múltiples aspectos. Y, para ser más concretos, el equipo de John B. Goodenough, en colaboración con la ingeniera María Helena Braga, ha presentado ya, en abril de 2020, su patente de electrolito de vidrio sólido. Su versión cuenta con un ánodo de metal alcalino que permite aumentar la densidad energética y la vida útil de la batería.

Gracias a las imágenes de Spring8 nos podemos hacer una idea de cómo es el funcionamiento de estas nuevas baterías respecto a las actuales de ion-litio.

Así pues, ¿qué ventajas ofrecen las baterías de electrolito sólido?

Menor coste de producción y venta, mayor seguridad, mayor vida útil, mayor densidad energética y mayores posibilidades para su reciclaje. 

• Incremento en la densidad de carga y mayor vida útil

Utilizar un compuesto sólido en las celdas permite disponer de una densidad energética mayor, lo que se traduce en una capacidad mayor de almacenaje de energía. En el caso del vidrio, es capaz de almacenar más energía en menor peso.

Para ser más concretos, este tipo de baterías serían capaces de almacenar hasta tres e incluso cinco veces más energía que sus equivalentes baterías de ion de litio. Por lo tanto, eso significa que permiten autonomías muy superiores.

Además, no sólo permiten extender los ciclos de carga y descarga (lo que posibilita aumentar su vida útil), sino que también reducen el drenaje pasivo (la descarga de la batería cuando no es usada).

Las baterías de litio-vidrio desarrolladas por John B. Goodenough son capaces de soportar más de 20.000 ciclos de carga completos (en pruebas de laboratorio han llegado a superar los 23.000 ciclos).

• Reducción de los tiempos de recarga

Las baterías sólidas aceleran las recargas y proporcionan tiempos de carga mucho más cortos (de tan sólo unos minutos), ya que dichos tiempos se reducen hasta seis veces menos respecto a las actuales de ion-litio.

Y eso se debe al hecho que la batería, al estar formada por un compuesto sólido inorgánico (como el vidrio), permite desplazamientos entre electrodos más fáciles y rápidos.

• Mayor seguridad

Gracias a la prevención en la formación de dendritas y al hecho de eliminar la posibilidad de explosión e incendio –que sí tienen las baterías de iones de litio actuales (aunque recordemos que el riesgo de incendio es cuatro veces mayor en un gasolina o diésel que en un eléctrico)–, es posible incrementar aún más la seguridad proporcionada.

Así pues, las baterías de electrolito sólido, al calentarse mucho menos, no necesitan sistemas de seguridad ni de refrigeración que eviten las acumulaciones de calor. Tampoco necesitan separadores entre electrodos, ni la cubierta impermeable protectora que, al fin y al cabo, suman costes, peso y más de la mitad del volumen de las baterías de ion-litio.

Y, por si fuera poco, estas nuevas baterías funcionan de forma óptima incluso con temperaturas extremas de hasta -20ºC.

• Producción en serie y reducción de costes

La producción en serie aún está en fase de investigación, pero si hablamos de un material como el cristal, de fácil y rápida fabricación, permitiría rebajar mucho el coste total tanto de la batería en sí como del propio vehículo eléctrico. Y, además, posibilitaría fabricar las celdas a partir de materiales mucho más sostenibles que las actuales de ion-litio.

Otro factor muy importante a tener en cuenta es que estas baterías permitirían eliminar prácticamente en su totalidad el cobalto presente en las celdas; una materia prima muy cara, escasa y no sostenible.

¿Cuándo aterrizarán en el mercado?

En un inicio no se esperaba la comercialización de este tipo de baterías como mínimo hasta dentro de una década. No obstante, más de un fabricante ya ha empezado a apostar por este tipo de tecnología e incluso en desarrollar su propia patente, como John B. Goodenough y Samsung. Toyota, Porsche, BMW, Fisker, Hyundai, General Motors, Honda, Nissan, Daimler y Volkswagen son ejemplos de marcas que ya están invirtiendo en su desarrollo.

Samsung presentó en marzo de 2020 sus avances en el desarrollo de baterías de electrolito sólido, cuyo prototipo promete producir baterías un 50% más pequeñas que las actuales. La compañía estima que en un par de años podría presentar su primer smartphone con esta nueva tecnología.

Toyota, por ejemplo, se había negado hasta el momento a producir coches puramente eléctricos porque consideraba que aún existían dos limitaciones muy claras: la recarga y la autonomía del vehículo eléctrico. Pues bien, ahora, con el desarrollo del electrolito sólido, Toyota lanzará, por fin, su primer coche 100% eléctrico con batería de estado sólido el próximo 2022.

Se trata del nuevo C-HR EV que, el pasado mes de abril ya ha aterrizado en los primeros concesionarios chinos, pero en Europa se supone que tardará como mínimo un par de años más en llegar. Bajo la nueva compañía "Prime Planet Energy & Solutions", la nueva joint venture con Panasonic, se esperaba que este mismo año la marca presentaría en los Juegos Olímpicos de Tokio un coche eléctrico propulsado por baterías con electrolito sólido, ¡pero debido al coronavirus deberemos esperar un poco más!

¿Cuál es el futuro de esta tecnología?

Un nuevo estudio del MIT (Instituto de Tecnología de Massachusetts) trabaja también con el diseño de un ánodo de metal hecho de litio puro.

Prologium (fabricante taiwanés de baterías) ha anunciado a principios de este año en el CES (escenario mundial donde se presentan innovaciones tecnológicas) un acuerdo con distintos fabricantes de automóviles para instalar las nuevas baterías de estado sólido de alto voltaje con electrolito cerámico (basadas en la técnica MAB, Multi Axis BiPolar+) en sus coches eléctricos. Por su parte, KITECH (The Korea Institute of Industrial Technology) tampoco quiere quedarse atrás ante esta prometedora nueva tecnología.

Hay quienes apuntan a que el futuro de la batería de estado sólido será utilizando silicio en lugar de cristal, otros que lo más prometedor es usar vidrio a base de sodio (sal), por ser un material muy común en la tierra y de bajo impacto medioambiental.

Sin embargo, aunque tanto el método como el momento de implantación de esta tecnología sea un tanto incierto y se deba realizar teniendo en cuenta procesos de reutilización y reciclaje, lo que está claro es que supondrá una auténtica revolución y no sólo en la movilidad eléctrica sino en toda la industria electrónica.

¿Te imaginas el transporte privado, el transporte pesado de mercancías, el sector de la aviación y el sector marítimo propulsados por baterías eléctricas sostenibles? Un adiós definitivo al motor de combustión y a la contaminación. ¿Un sueño hecho realidad?