Mientras nosotros pasamos nuestro día a día con las rutinas de siempre, los fabricantes de automóviles ya están desarrollando lo que nos venderán dentro de cinco años. Como sabéis, la gran revolución eléctrica que estamos viviendo en el sector del automóvil ha sacudido los cimientos de la industria -gracias Tesla-, pero poco a poco las grandes marcas se van poniendo al día. Tanto es así, que ya están desarrollando la próxima generación de baterías que veremos, probablemente, antes de 2025: las baterías de estado sólido.

Como es una batería de ión-litio

En un par de reportajes anteriores, nos centramos en hablar de las baterías más que de las celdas que las componen. Si queréis repasar conceptos sobre como se componen y los tipos de vehículos que hay, podéis echar un ojo a Electricidad a bordo (I) y Electricidad a bordo (II).

Antes de comenzar, algunas convenciones rápidas. Si el dispositivo proporciona energía -p. ej. una batería-, el ánodo es negativo, y el cátodo positivo. Si el dispositivo consume energía -motor eléctrico-, el ánodo es positivo, y el cátodo negativo. La corriente es el flujo de electrones-, así que en una batería en descarga, irá del ánodo al cátodo (del – al +); y cuando se cargue, irá al contrario, del cátodo al ánodo (del + al -).

Actualmente, con los coches eléctricos que se están lanzando al mercado, la tecnología dominante es la de ión-litio, combinada con algún otro metal, como por ejemplo el cobalto. Su fundamento es siempre el mismo: un cátodo (+ o electrodo positivo) compuesto por un óxido, generalmente óxido de litio-cobalto, fosfato de litio-hierro u óxido de litio-manganeso; un ánodo (- o electrodo negativo) compuesto por carbono, usualmente grafito -el mismo de la mina de los lápices- y un electrolito en estado líquido, compuesto por sales de litio diluidas en un disolvente orgánico -con carbono-. Ahora ya sabéis por qué se representa el polo negativo de color negro, por similitud con el grafito que lo compone.

Los electrolitos líquidos en las baterías de iones de litio están formados por sales de litio, como el LiPF₆ -Hexafluorofosfato de litio-, LiBF₄ -Tetrafluoroborato de litio- o LiClO₄ -Perclorato de litio- en un disolvente orgánico, como carbonato de etileno, carbonato de dimetilo y carbonato de dietilo. Al final, es un compuesto que facilita el movimiento de los electrones entre cátodo y ánodo.

¿Qué ventajas y desventajas tienen las baterías de ión-litio?

Las principales ventajas que tienen es que actualmente no son excesivamente caras de fabricar, pues su tecnología está extendida por todo el mundo, desde teléfonos móviles, ordenadores portátiles o coches eléctricos, y su precio va bajando por las economías de escala. En teoría la electrónica de control reduce estos riesgos al mínimo.

Su mayor ventaja es que se trata de la celda comercial con mayor densidad energética hasta la fecha, y con un coste razonable. Las celdas de ión-litio pueden llegar a 265 Wh/kg. Esto quiere decir que el peso de una batería de 80 kWh -o lo que es igual, 80.000 Wh-, con celdas de 265 Wh/kg de energía específica, será de 80.000 dividido entre 265, o sea, 301 kg. Por este motivo es tan importante encontrar combinaciones químicas que logren subir la energía específica, cuanto más pese una batería de un vehículo eléctrico, más energía desperdiciaremos en mover esa masa extra.

Pero no todo iban a ser ventajas. Este tipo de celdas tiene dos desventajas fundamentales: se calientan mucho cuando se cargan, debido a que el electrolito es líquido e inflamable, por lo que puede arder si se sobrepasan sus límites; y se degrada con los ciclos de carga-descarga, debido a las deposiciones de metal en el cátodo, lo que limita su capacidad de generar corriente.

Por tanto, la capacidad de carga de una celda de ión-litio está limitada por la corriente máxima que puede soportar sin calentarse en exceso, y su capacidad de descarga también está limitada por esto mismo, pues al generarse la corriente, el electrolito sube de temperatura y puede arder si se superan sus límites, como hemos dicho antes.

Otra desventaja importante es que no se pueden descargar profundamente sin que sufran daños. Es decir, su mínimo de carga no puede bajar del 10-20 % para que su capacidad no se vea alterada, lo que en largos periodos de tiempo puede ser un problema.

La última desventaja que tiene es logística. El litio no es que sea muy abundante, y actualmente se encuentra fundamentalmente dentro del “triángulo del litio”, esa zona comprendida por el Salar del Hombre Muerto (Argentina), el Salar de Uyuni (Bolivia) y el Salar de Atacama (Chile). Solo aquí se encuentra el 85 % de las reservas a nivel mundial. La siguiente pregunta es, ¿se pueden tener baterías de igual energía específica sin litio? En eso están trabajando muchos laboratorios de investigación a lo largo del mundo.

Las alternativas al Litio: baterías de ión-sodio

Actualmente hay una alternativa al litio que está ganando impulso, por la abundancia del material que compone sus celdas. Hablamos de las baterías de ión-sodio, sí, ese compuesto químico que tenemos en la sal de la cocina. El principio de funcionamiento es el mismo que las de ión-litio, con un electrolito líquido.

Por ahora no son muy baratas de fabricar, pues la tecnología está comenzando a comercializarse, pero el coste para su cátodo es 100 veces menor que las de ión-litio. El precio por tonelada de sales de litio está sobre los 15.000 dólares, mientras que la tonelada de sales de sodio anda por los 150 dólares. Bien es cierto que luego hay que procesar el material para convertirlo en una celda, pero su potencial para reducir el precio es muy alto.

Tienen la ventaja que no son tan inseguras como las de litio, sus materiales son mucho más económicos, se pueden descargar hasta el 0 % sin problemas, y tienen una alta durabilidad, cerca 2.000 ciclos completos de carga-descarga.

¿Su principal desventaja? La densidad energética es de unos 90 Wh/kg, similar a las de Ni-Mh (como muchos híbridos), por lo que actualmente no son utilizables en vehículos eléctricos. Su campo de actuación es el de las compañías eléctricas, pues allí las condiciones de espacio o peso no son problema. Por ejemplo, se pueden acoplar a una central fotovoltaica para almacenar energía y verterla a la red cuando sea necesario, algo que actualmente están probando en Australia. Con apenas 30 kWh de capacidad y 6 kW de paneles solares, el coste de la instalación ha sido de 10,6 millones de dólares. Este precio es totalmente desorbitado, pues las instalaciones solares de paneles fijos y de mayor calidad, no superan el coste de 2 dólares por vatio, completamente instalado, contando inversores y cableado.

Cuando mejoren su energía específica, y bajen su precio, tal vez se puedan convertir en una alternativa a las celdas actuales de ión-litio.

El problema: la degradación con la carga y descarga

Ahora llegamos a uno de los principales problemas de las celdas de ión-litio: su degradación. Con el paso de los ciclos de carga y descarga, los metales se van quedando adheridos al cátodo, por lo que su superficie activa va decreciendo con el tiempo. Esto necesariamente limita la capacidad de mover electrones, y por tanto, limita su capacidad de carga-descarga.

Se han hecho estudios, y mediante microscopía electrónica se ha conseguido visualizar este efecto. En la imagen podéis ver de color negro el material residual que va quedando acumulado en el cátodo tras varios ciclos de carga y descarga.

Así la celda, con el paso del tiempo, irá perdiendo carga y también su corriente máxima de descarga irá decreciendo. Cuando un fabricante en sus especificaciones dice que la celda tendrá una capacidad mínima del 80 % tras 1.000 ciclos, significa que tras haberla cargado y descargado completamente -entiéndase completamente, hasta la capacidad mínima de una celda de ión-litio, esto es, hasta el 10-20 %- y haberla cargado hasta el 100 % durante 1.000 veces, como mínimo tendrá el 80 % de su capacidad inicial de cuando era nueva. O sea, si la celda tenía 10 Wh cuando era nueva, tras 1.000 ciclos, tendrá solamente 8 Wh, como mínimo. Una consideración: si por ejemplo, la recargamos cuando se encuentra al 50 % y llegamos hasta el 100 %, esto contaría como medio ciclo.

La vida útil de las baterías también está condicionada a la climatología y las recargas rápidas que se hagan

En un vehículo eléctrico, 1.000 ciclos de carga y descarga se cumplen normalmente a los cinco años, si realizamos una utilización típica, por lo que si inicialmente la capacidad de nuestro vehículo era de 40 kWh, tras esos ciclos, tendremos 32 kWh como mínimo, por eso la autonomía decrece. Dependiendo del vehículo y sus condiciones de uso, puede degradarse menos, pero eso sería algo excepcional.

¿Hay alguna solución para mejorar esto? Sí, deshacerse del electrolito líquido y cambiarlo por uno en estado sólido. Es fácil decirlo, pero llevarlo a la práctica es bastante más complicado, pues la movilidad de los electrones es mucho más sencilla en un líquido que en un sólido.

La solución: electrolito sólido

Desde hace años se conocen las baterías de estado sólido. De hecho, las descubrió Michael Faraday en el s. XVIII, el padre del condensador, pues este elemento electrónico bien se podría considerar una batería en miniatura. Pero no ha sido hasta el año 2012 cuando se ha puesto énfasis en esta tecnología.

Su principio se basa en eliminar el electrolito líquido y cambiarlo por una capa de material sólido. De este modo, el espacio necesario para la celda decrece en un 50 %, por lo que podemos fácilmente doblar la capacidad de almacenamiento de energía. Esto hace que las nuevas celdas consigan superar la densidad energética de las de ión-litio en varios órdenes de magnitud, pudiendo llegar a 700 Wh/kg y actualmente llegando a valores en laboratorio de 500 Wh/kg. Desde luego, esta es una ventaja enorme con este tipo de celdas.

El principal problema es encontrar esa “receta mágica” que consiga crear un buen electrolito sólido, y por eso se afanan multitud de laboratorios ahora mismo alrededor del mundo.

En ese punto, quiero hacer un inciso. Sin lugar a dudas, Estados Unidos y los países asiáticos, como Corea del Sur o China, llevan mucha ventaja en este aspecto. En Europa nos hemos olvidado de la innovación hace tiempo, y no despuntar en diseño de celdas, que cada día se convierte en más importante en nuestras vidas gracias a los móviles, portátiles o vehículos eléctricos, va a traer como consecuencia un empobrecimiento del continente.

Es muy urgente que los gobiernos fomenten la inversión en este tipo de tecnologías y no pongan tantas trabas administrativas para que, de este modo, Europa recupere el terreno perdido. Algunas voces apuntan a que ya es demasiado tarde, pero personalmente creo que aún estamos a tiempo de subirnos a ese tren.

Otra ventaja importante de las celdas sólidas, es que no se calientan tanto como las de ión-litio, por lo que admiten mayores corrientes de carga o descarga, en consecuencia tardaremos menos en cargar nuestros dispositivos, teniendo mayor autonomía y menos peso en el mismo espacio. También se pueden descargar hasta el final y son más seguras, pues al no llevar electrolito inflamable no pueden arder con facilidad.

Y ahora su desventaja: la temperatura. Pueden aguantar temperaturas muy altas al ser de estado sólido, pero el electrolito metálico no funciona bien con bajas temperaturas. Es decir, cuanto más calientes están, mejor funcionan, por lo que en climas bajo cero, su rendimiento se convierte en un problema.

De todas las empresas que dicen tener una celda sólida con buen rendimiento, hay una que destaca entre todas por ser la que más inversión está atrayendo últimamente: Solid Power.

Solid Power: la empresa de moda

Esta empresa nació como un proyecto de laboratorio en la Universidad de Colorado, en Boulder, Estados Unidos. Los resultados de sus experimentos fueron muy alentadores, y se creó un spin off en 2012, una compañía comercial salida del laboratorio de la universidad que se llamó Solid Power.

Su receta era disponer de un cátodo de litio-metal y un electrolito inorgánico, de composición secreta, unido al conocido ánodo de grafito. Este esquema potencialmente puede triplicar la capacidad de las actuales celdas, siendo más seguras y baratas de fabricar, claro está, cuando se consigan las economías de escala suficientes. Otra cuestión que deben solucionar es su temperatura de funcionamiento, que actualmente va de 0 ºC hasta 150 ºC.

Tras varias rondas de financiación, ha conseguido atraer a inversores como Hyundai CRADLE, Samsung Venture Investment Corp., Sanoh Industrial Co., Solvay Ventures, A123 Systems y BMW. A finales de este año está previsto que inauguren su primera fábrica de este tipo de celdas en el Centro Tecnológico de Louisville, Colorado, EEUU, y a principios de 2019 ya prevén que salgan de esta línea piloto hasta 12 MWh de celdas de estado sólido. Sin duda, será importante validar en la vida real el resultado de estas baterías, pues los estándares de los fabricantes de automóviles son muy estrictos, sobre todo en cuanto a pruebas en condiciones climáticas extremas. Veremos qué ocurre en climas muy fríos y como solucionan los retos de este tipo de celdas.

Hubo otras empresas que clamaban tener éxito con este tipo de celdas, como Sakti3, que fue comprada por Dyson en 2015, pero fue deshechada en 2017, y ahora Dyson planea lanzar su coche eléctrico con celdas más convencionales de ión-litio.

Toyota o Fisker son otros dos fabricantes que sueñan con un futuro de baterías sólidas. Los japoneses llevan investigando esta tecnología desde 2014, asociándose junto a Panasonic, los mismos que están junto a Tesla en su Gigafactory. Por su parte Fisker, aliado de A123 systems -compañía que prometía celdas muy económicas y terminó quebrando, llevándose a Fisker por delante- ha anunciado que dispondrá de un vehículo con baterías sólidas en 2023, probablemente en el Fisker EMotion. BMW también se ha subido al carro con Solid Power, aunque por ahora no se comentan fechas de posible comercialización de este tipo de baterías en los vehículos bávaros.

Volkswagen también está invirtiendo masivamente en esta tecnología, pero en este caso su aliado se llama QuantumScape, otra compañía nacida de los laboratorios de la Universidad de Stanford, en California, EEUU.

Como vemos, la revolución de las baterías está llegando mientras Europa duerme, y dentro de pocos años podremos verlas en dispositivos electrónicos y vehículos eléctricos, así que los que se suban al carro de esta revolución, tendrán un suculento y multimillonario negocio a no mucho tardar. Sin duda, el sueño de un vehículo eléctrico de 1.000 km de autonomía, no muy caro y que se pueda recargar en pocos minutos, está mucho más cerca.