¿Qué son las pilas de estado sólido?
Para los interesados en la industria de las pilas, el término "batería de estado sólido" le resultará ciertamente familiar. Esta nueva tecnología se considera una mejora de las baterías de litio, capaz de aumentar varias veces la vida útil de las baterías actuales.
Especialmente en la industria de los vehículos eléctricos, las baterías de estado sólido se consideran la clave para revolucionar el sector. Imagínese un coche eléctrico que pueda recorrer 1.000 km y que sólo tarde quince minutos en cargarse por completo... ¿no es tentador?
Este potencial ha provocado una intensa competencia entre todos los fabricantes de pilas en este campo. Entonces, ¿qué hace que las pilas de estado sólido sean tan mágicas? Lea el siguiente artículo para conocer a fondo las pilas de estado sólido.
¿Qué es una pila de estado sólido?
El concepto de pila de estado sólido fue introducido por primera vez por el científico británico Michael Faraday. Sin embargo, durante más de un siglo, los electrolitos sólidos parecieron desvanecerse del escenario de la historia, desapareciendo de la vista de la humanidad. Al entrar en este siglo, la humanidad retomó silenciosamente el camino donde Faraday lo dejó hace más de 100 años, embarcándose de nuevo en la exploración de los electrolitos sólidos.
La mayor diferencia entre las pilas de estado sólido y las de litio es la SSB ausencia de electrolitos líquidos o en gel. En cambio, las pilas de estado sólido utilizan compuestos vítreos de litio o sodio como electrolitos sólidos, a través de los cuales migran los iones de litio. En los sólidos, la conductividad iónica es relativamente alta, y el riesgo de fugas y de producción de gas se reduce al mínimo, lo que aumenta la seguridad y la densidad energética de la pila.
¿Por qué desarrollar baterías de estado sólido?
En la industria de las baterías, se considera que las baterías de litio líquido, ya sean de litio hierro fosfato o de litio ternario, han alcanzado sus "límites". Cada vez es más difícil lograr nuevos avances tecnológicos. Esto significa que, para obtener baterías de mayor capacidad con volúmenes más reducidos, es necesario desarrollar nuevas tecnologías.
Al mismo tiempo, las baterías de estado sólido pueden resolver fundamentalmente los principales riesgos de seguridad de las baterías de iones de litio. Las baterías tradicionales de iones de litio pueden autoinflamarse o explotar debido a los electrolitos orgánicos inflamables y volátiles que contienen.
Además, problemas como la corrosión del electrolito, la volatilización y las fugas pueden suponer graves riesgos para la seguridad del sistema de baterías. Electrolitos sólidosPor otro lado, son intrínsecamente no inflamables, resistentes al calor, no corrosivos y no volátiles. Ofrecen una mejor resistencia mecánica, estabilidad térmica y estabilidad electroquímica en comparación con los electrolitos tradicionales, por lo que mejorar significativamente la seguridad de la batería.
Tres vías principales para las baterías de estado sólido
Las baterías de estado sólido siguen principalmente tres trayectorias tecnológicas: polímero, óxido y sulfuro. Los materiales del cátodo y las rutas de las pilas de estado sólido no difieren significativamente de los de las pilas de litio líquido. Las distintas rutas tecnológicas se distinguen principalmente por los tipos de electrolitos utilizados. En función de los electrolitos, las vías de las pilas de estado sólido pueden dividirse en tres categorías: polímero, óxido (con o sin película) y sulfuro, cada una con sus propias ventajas e inconvenientes.
A. Polímero
Ventajas:
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- Fácil de procesar, y los equipos y procesos de producción de electrolitos líquidos existentes pueden satisfacer las necesidades de producción e investigación.
Desventajas:
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- Baja conductividad, requiere un calentamiento a 60 grados Celsius para funcionar correctamente.
- Poca estabilidad, incompatible con materiales de cátodos de alto voltaje y propenso a incendiarse a altas temperaturas.
- Ventana electroquímica estrecha, con el electrolito descomponiéndose fácilmente a diferencias de tensión elevadas (>4V).
B. Sulfuro
Ventajas:
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- Mayor conductividad y una amplia ventana de estabilidad electroquímica (por encima de 5V), lo que la convierte en la más prometedora para el desarrollo.
Desventajas:
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- Escasa estabilidad térmica, ya que la reacción térmica comienza a una temperatura de 400-500°C.
- Proceso de preparación complejo y propenso a reaccionar con el agua y el oxígeno del aire para producir gas sulfhídrico altamente tóxico.
C. Óxido
Ventajas:
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- Buena conductividad y estabilidad, mayor conductividad iónica que el polímero, estabilidad térmica hasta 1000 grados Celsius y excelente estabilidad mecánica y electroquímica.
Desventajas:
-
- Menor conductividad en comparación con los sulfuros.
- Problemas con el contacto de la interfaz rígida.
Actualmente, las direcciones de investigación de los distintos fabricantes de baterías difieren. China y Estados Unidos se centran principalmente en la vía del óxido, al tiempo que exploran nuevas vías. Las empresas japonesas, como Honda, tienden a favorecer la vía del sulfuro. Debido a los costes de investigación y a la dificultad relativamente menores, varias baterías de estado semisólido han visto aplicaciones comerciales en el sistema de óxido para 2024. Sin embargo, desde una perspectiva a largo plazo, a pesar de la elevada dificultad de la investigación, el electrolito sólido de sulfuro, con su excelente rendimiento y su importante potencial, sigue atrayendo importantes inversiones y esfuerzos de investigación de empresas de baterías bien capitalizadas.
Tres vías principales para las baterías de estado sólido
Ventajas de las pilas de estado sólido
Alta densidad energética:
Con el uso de electrolitos totalmente de estado sólido, el sistema de materiales aplicables de las baterías de iones de litio cambia significativamente. Un cambio clave es la eliminación de la necesidad de ánodos de grafito intercalado con litio. Las baterías de estado sólido pueden utilizar litio metálico como material del ánodo. La capacidad específica teórica del litio metálico es de 3860 mAh/g, frente a los sólo 372 mAh/g del ánodo de grafito de las baterías de iones de litio tradicionales. Esto permite a las baterías superar las limitaciones químicas y alcanzar mayores niveles de rendimiento.
Menor volumen:
Las baterías tradicionales de iones de litio requieren separadores y electrolitos, que juntos ocupan casi 40% del volumen de la batería y 25% de su masa. Sustituyéndolos por electrolitos sólidos (principalmente materiales cerámicos orgánicos e inorgánicos), la distancia entre los electrodos positivo y negativo (tradicionalmente ocupados por separadores y electrolitos, ahora ocupados por electrolitos sólidos) puede reducirse a tan sólo unas pocas o decenas de micras. Esto significa que las pilas pueden hacerse más pequeñas, lo que convierte a la tecnología de las pilas de estado sólido en un paso crucial hacia la miniaturización de las pilas.
Alta plasticidad:
Utilizar cerámica como electrolito sólido tiene la ventaja de mostrar una plasticidad sorprendente cuando es delgada, a pesar de que la cerámica es frágil en el contacto cotidiano. Incluso después de cientos de dobleces o pliegues, la capacidad, la eficacia de carga-descarga y la vida útil de la batería permanecen prácticamente inalteradas. Esto significa que las baterías de estado sólido pueden fabricarse con cualquier forma, lo que ofrece una mayor flexibilidad de diseño para los dispositivos electrónicos, dando lugar potencialmente a formas y estructuras innovadoras e impulsando la innovación tecnológica de los productos.
Seguridad mejorada:
En las baterías tradicionales de iones de litio, el uso de metal de litio como material del ánodo puede provocar la formación de dendritas durante la carga y la descarga. Las dendritas son estructuras en forma de aguja o de árbol formadas por la deposición desigual de litio metálico en el electrolito. Estas dendritas pueden crecer y, potencialmente, penetrar en el separador, provocando un contacto directo entre los electrodos positivo y negativo, dando lugar a cortocircuitos y, posiblemente, a incendios o explosiones.
Además, los electrolitos líquidos orgánicos de las pilas tradicionales son propensos a reacciones secundarias, oxidación, producción de gas y combustión a altas temperaturas. Los materiales sólidos pueden evitar por completo estos problemas.
Mejor rendimiento a altas y bajas temperaturas:
El rango de temperaturas de funcionamiento de las baterías de estado sólido actualmente anunciadas es de -20°C a 105°C. Los electrolitos de las pilas de iones de litio utilizan disolventes orgánicos inflamables, lo que supone un riesgo en entornos de altas temperaturas. Los electrolitos de las pilas de estado sólido no utilizan materiales inflamables, por lo que son adecuados para su uso a temperaturas más elevadas.
A bajas temperaturas, la movilidad de los iones en los electrolitos líquidos puede volverse lenta, reduciendo el rendimiento y el voltaje de la pila. Los electrolitos sólidos no se congelan como los líquidos, por lo que los cambios de resistencia interna son mínimos, manteniendo un mejor rendimiento a bajas temperaturas.
Comparación de las baterías de iones de litio y las baterías de estado sólido
| Característica | Batería de iones de litio | Batería de estado sólido |
|---|---|---|
| Densidad energética | 150-250 Wh/kg | 250-500 Wh/kg |
| Tipo de electrolito | Electrolito líquido o en gel | Electrolito sólido |
| Seguridad | Riesgo de fuga, incendio y explosión | Menor riesgo, más estable |
| Temperatura de funcionamiento | -20°C a 60°C | -30°C a 100°C |
| Ciclo de vida | 500-1000 ciclos | 1000-3000 ciclos |
| Coste | Relativamente bajo | Actualmente alta |
| Complejidad de la fabricación | Procesos establecidos | Complejo, menos establecido |
| Disponibilidad comercial | Ampliamente disponible | Limitado, en desarrollo |
Tres vías principales para las baterías de estado sólido
QuantumScape
Antecedentes de la empresa: QuantumScape se fundó en 2010 y está dirigida por el presidente y consejero delegado, el Dr. Jagdeep Singh. La empresa tiene su sede en San José, California, y opera tanto en Estados Unidos como en Japón.
Tecnología: QuantumScape se centra en la tecnología de óxidos. Su batería de estado sólido es única porque no preestablece un material para el ánodo. Al cargarse, el metal de litio puro se transforma en iones de litio que migran al otro lado de la batería para formar el ánodo, una técnica que ellos llaman "sin ánodo". Esto es posible gracias al material cerámico patentado que utilizan para el separador de la pila, que permite que los iones de litio se muevan libremente a la vez que evita que el metal de litio reaccione con el material del cátodo y forme dendritas.
Ventajas: QuantumScape ha creado más de 200 patentes y aplicaciones. Su separador cerámico de estado sólido patentado, combinado con electrolitos líquidos orgánicos (catolito), permite personalizar los materiales del catolito mejor adaptados a los requisitos de tensión y transmisión del cátodo.
Últimos avances: El 27 de marzo de 2024, QuantumScape comenzó a entregar prototipos Alpha-2 a los clientes.
Potencia sólida
Antecedentes de la empresa: John Van Scoter ocupa el cargo de Consejero Delegado y Presidente desde junio de 2023. Solid Power está asociada con BMW y Ford y tiene su sede en Louisville, Colorado.
Tecnología: Solid Power se centra en la tecnología de sulfuro, alimentada por su electrolito sólido patentado a base de sulfuro. El material del cátodo es NMC, y la empresa dispone de dos tecnologías de baterías que utilizan materiales de ánodo diferentes: una con alto contenido en silicio y otra con litio metálico.
Ventajas: El componente clave de Solid Power es su electrolito sólido a base de sulfuro, que proporciona una combinación óptima de conductividad, fabricabilidad y rendimiento de batería.
Últimos avances: El 16 de enero de 2024, Solid Power firmó un nuevo acuerdo con SK para profundizar su asociación.
Dyson (Sakti3)
Antecedentes de la empresa (Dyson): Dyson es una empresa británica de tecnología especializada en productos para el hogar, con un equipo de invención de 1200 científicos e ingenieros. Dyson inició su programa interno de baterías hace más de una década.
Antecedentes de la empresa (Sakti3): En 2015, Sakti3 fue adquirida por Dyson Ltd. Sakti3 fue cofundada en 2007 por la Dra. Ann Marie Sastry, el Dr. Chia-Wei Wang y el Dr. Fabio Albano como spin-out de la Universidad de Michigan.
Tecnología: Sakti3 utiliza la tecnología de deposición de película fina, empleada habitualmente en las células solares fotovoltaicas. Sus baterías de estado sólido no tienen electrolitos líquidos, sino que utilizan una estructura de "sándwich" para garantizar la transmisión normal de iones.
Ventajas: Dyson ha revelado que las baterías de estado sólido de Sakti3 pueden alcanzar una densidad energética ultraelevada de 550 Wh/kg, casi el doble de la densidad energética máxima de 300 Wh/kg de las baterías ternarias de litio.
Últimos avances: El 16 de junio de 2023, Dyson anunció sus planes de abrir una planta de fabricación avanzada de baterías de última generación en Singapur.
Toyota
Antecedentes de la empresa: Toyota lleva trabajando en el desarrollo de baterías de estado sólido desde 2006, centrándose en la tecnología de sulfuro. Poseen más de 1300 patentes de baterías de estado sólido y tienen su sede en Tokio, Japón.
Tecnología: La información divulgada por Toyota indica que se centra en la tecnología del sulfuro.
Ventajas: Toyota posee 1331 patentes relacionadas con las baterías de estado sólido, que abarcan la estructura de las baterías, las aplicaciones de los materiales y los procesos de fabricación, lo que les convierte en la empresa con más patentes relacionadas en todo el mundo. Tienen previsto iniciar la producción comercial entre 2026 y 2027.
Últimos avances: El 13 de junio de 2024, Toyota anunció un avance tecnológico que aborda el antiguo reto de la durabilidad de las baterías.
Ampcera
Antecedentes de la empresa: Ampcera tiene su sede en Silicon Valley, California, y fue fundada en 2017. El consejero delegado es el Dr. Sumin Zhu.
Tecnología: La tecnología ASSB de Ampcera comprende materiales electrolíticos sólidos de sulfuro con protección IP diseñados para una carga ultrarrápida. Utilizan cátodos de NMC de alta capacidad y ánodos basados en silicio para alcanzar una densidad energética objetivo de 400 Wh/kg.
Ventajas: La tecnología de baterías totalmente de estado sólido (ASSB) de Ampcera ha logrado una carga rápida de 0 a 80% estado de carga (SOC) en 15 minutos a una tasa C pico de 4C.
Últimos avances: El 25 de febrero de 2024, la tecnología de baterías totalmente de estado sólido de Ampcera superó el objetivo de carga rápida extrema del DOE de EE.UU. de 80% de carga en 15 minutos.
Samsung SDI
Antecedentes de la empresa: Samsung SDI tiene su sede en Yongin, Gyeonggi-do, Corea del Sur, y su director general es Yoon Ho Choi.
Tecnología: La empresa se centra en los electrolitos de sulfuro, utilizando un ánodo compuesto de Ag-C sin exceso de litio. La capa de Ag-C regula eficazmente la deposición de litio, logrando una larga vida útil del ciclo electroquímico.
Ventajas: La tecnología de baterías de estado sólido Super-Gap de Samsung SDI tiene una densidad energética de 900 Wh/L, unos 40% más que sus actuales baterías de iones de litio. Afirman poder cargar una célula prismática de 8% a 80% en 9 minutos. La producción en serie está prevista para 2026.
Últimos avances: En marzo de 2024, Samsung SDI anunció sus planes de iniciar la producción en masa de baterías de estado sólido para vehículos eléctricos y otras aplicaciones en 2027.
Fabricantes chinos
Los fabricantes chinos de baterías son más discretos, pero se sabe que BYD y CATL están desarrollando baterías de estado sólido. A nivel mundial, hay 20.798 solicitudes de patentes de tecnologías clave para baterías de estado sólido, de las que 7640 corresponden a China, es decir, 36,7%. En los últimos cinco años, la tasa de crecimiento anual de China en solicitudes de patentes de baterías de estado sólido ha sido de 20,8%, la más alta del mundo.
Opiniones de otros líderes del sector sobre las pilas de estado sólido
Retos de las baterías de estado sólido
Coste elevado
Para la ruta del sulfuro, el coste de los electrolitos sólidos de sulfuro supera actualmente los $195 por kilogramo, muy superior al $50 por kilogramo necesario para la comercialización. Este problema se deriva del elevado coste del sulfuro de litio (no menos de $650 por kilogramo) necesario para sintetizar electrolitos sólidos de sulfuro. Además, los materiales de alto rendimiento (como la cerámica de gran pureza) y los complejos procesos de fabricación utilizados en las baterías de estado sólido hacen que sus costes sean significativamente superiores a los de las baterías tradicionales de iones de litio.
Dificultades de producción
Si se utiliza la vía del electrolito sólido de sulfuro, la producción es un reto debido a la tendencia del electrolito a reaccionar con la humedad y el oxígeno. Esto requiere un entorno de producción muy controlado, idealmente en una cámara sellada llena de gas inerte.
Baja conductividad iónica
En las pilas de estado sólido, la interfaz de contacto entre el electrodo y el electrolito pasa del contacto sólido-líquido al sólido-sólido. En comparación con los electrolitos líquidos, el área de contacto entre los sólidos es menor, lo que se traduce en una mayor resistencia interfacial. Además, los electrolitos sólidos contienen muchos límites de grano, que a menudo tienen mayor resistencia que el material a granel, lo que dificulta el transporte de iones de litio entre los electrodos y repercute negativamente en el rendimiento de la carga rápida y la vida útil del ciclo.
Poca vida útil
El contacto sólido-sólido en las pilas de estado sólido es más rígido, lo que lo hace más sensible a los cambios de volumen en los materiales de los electrodos. Durante el ciclado, esto puede provocar un contacto deficiente entre las partículas del electrodo y entre éstas y el electrolito, provocando la acumulación de tensiones, la degradación del rendimiento electroquímico e incluso la aparición de grietas, lo que puede disminuir rápidamente la capacidad y dar lugar a una vida útil deficiente.
¿Cuándo estarán disponibles las baterías de estado sólido?
En julio de 2024, no existen baterías totalmente de estado sólido realmente disponibles en el mercado. Los fabricantes chinos de automóviles que afirman utilizar baterías de estado sólido utilizan en realidad baterías de estado semisólido con un contenido reducido de líquido. Al igual que ocurrió con las baterías de litio, que tardaron décadas en pasar de su inicio tecnológico a su uso generalizado, muchos expertos creen que las baterías de estado sólido requieren periodos aún más largos para su validación y sus avances tecnológicos.
Sin embargo, la espera puede no ser indefinida. El importante potencial de las baterías de estado sólido ha estimulado una intensa competencia, acelerando el progreso en este campo. Muchos fabricantes han señalado 2027 como el año de comercialización de las baterías de estado sólido. Estemos atentos a los acontecimientos a medida que la industria avanza hacia este ambicioso objetivo.
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