Baterías del Mañana – ¿Cómo Estas 9 Innovaciones Transformarán la Electromovilidad?

A pesar de las limitaciones que los fabricantes de baterías de ion de litio están superando gradual pero lentamente, la electromovilidad está ganando popularidad, y es difícil imaginar revertir esta tendencia. Además, ahora necesitamos celdas eficientes y asequibles no solo en vehículos eléctricos y scooters o EVs, sino también en instalaciones de energía renovable en el hogar. La tecnología moderna de ion de litio parece estar alcanzando su máxima densidad de energía. Sin embargo, no hay motivo de preocupación porque en uno o dos años, las celdas de ion de litio se complementarán con otras tecnologías cuyas capacidades hoy parecen casi irreales. Descubre las mayores innovaciones en la industria de celdas eléctricas.

Las Baterías de Estado Sólido Revolucionarán el Mundo

Durante años, los entusiastas de la electromovilidad han estado emocionados con la tecnología de baterías de estado sólido (Batería de Estado Sólido, BESS), que proporciona una alta densidad de energía. Además, en 2022, una startup de Silicon Valley llamada Quantum Scape construyó una batería de estado sólido que se carga hasta un 80% en solo 15 minutos y permite que un vehículo eléctrico (EV) recorra 640 km con una sola carga. Esta celda utiliza un material cerámico dedicado cuya composición es un secreto. Un semiconductor se coloca entre el ánodo y el cátodo, reemplazando el electrolito líquido, y su estructura permite que los iones fluyan sin causar cortocircuitos. La tecnología es prometedora, pero tendremos que esperar al menos hasta 2025 para aprovechar al máximo su potencial en los automóviles eléctricos.

Nissan y Toyota también están trabajando en baterías de semiconductores, y Toyota anunció la instalación de celdas de estado sólido en sus vehículos a partir de 2026 como parte de su programa de investigación de $13.6 mil millones.

Es difícil sorprenderse al observar las capacidades de las baterías de semiconductores, que ofrecen una densidad de energía volumétrica de hasta 1000 vatios-hora por litro (las mejores celdas de ion de litio alcanzan 600 vatios-hora por litro). Sin embargo, lo que es más importante es la densidad gravimétrica, que es de alrededor de 250 Wh/kg en las baterías NCM y más del doble en las baterías SSB. Con celdas de estado sólido, el alcance de un vehículo eléctrico igualaría al de un automóvil de motor de combustión.

Además, las baterías de semiconductores no tienen un electrolito líquido, que es simplemente un disolvente orgánico, un hidrocarburo que se enciende rápidamente en un incendio. Sin embargo, las baterías de estado sólido también tienen sistemas de monitoreo de temperatura para evitar el sobrecalentamiento y la degradación de la celda. Las baterías BESS también son menos propensas a la formación de dendritas, que, después de muchos ciclos de carga de una batería de ion de litio regular, causan pérdida de energía, cortocircuitos y, en consecuencia, incendios.

Las dendritas son estructuras en forma de aguja que se forman en el interior de las celdas de Li-ion en el ánodo. Proceden de la precipitación de cristales de litio en el electrolito líquido. El uso de capas conductoras de semiconductores, que bloquean el movimiento de electrones mientras permiten el paso de iones de litio gracias a la llamada barrera Schottky, evita la acumulación de cristales de litio, lo que impide la formación de dendritas.

Desafortunadamente, las celdas de semiconductores están sujetas a un aumento de la presión interna durante el funcionamiento, lo que complicará su construcción y reducirá el costo de dichas baterías a “solo” $65 por kWh, frente a los alrededor de $150 por kWh en las baterías de ion de litio estándar (precios de 2023).

Celdas Basadas en Silicio Deberán Ser Comprimidas

Varias startups, incluidas las de Silicon Valley, están trabajando en el uso de silicio en lugar de grafito en los ánodos de las baterías, lo que proporcionaría un rendimiento aún mejor que la tecnología de estado sólido. Las baterías de silicio son impresionantes porque pueden cargarse hasta un 80% en poco más de 5 minutos y alcanzar el 98% de carga en menos de 10 minutos. Además, después de 1000 ciclos, su eficiencia se mantiene en un 93%. El problema con las baterías de silicio es que expanden su volumen tres veces durante el funcionamiento. Por lo tanto, los modelos de prueba tienen estructuras especiales de acero inoxidable para limitar la expansión a no más del 2% del volumen después de 500 ciclos. Parece que esta solución es suficiente, ya que Porsche anunció el uso de baterías de silicio a partir de 2024, y Mercedes-Benz planea instalar estas celdas en modelos de lujo a partir de 2025.

Baterías Estructurales: Una Parte Integral del Cuerpo o del Edificio

Las innovaciones en la tecnología de baterías no se limitan solo a la densidad de energía o el costo. El problema con las celdas modernas es su gran tamaño, especialmente su peso (por ejemplo, las baterías del Tesla Model 3 pesan hasta 480 kg y, con una densidad de energía de 150 Wh/kg, ocupan un volumen de 0.40 m3). Desde una perspectiva de diseño, una batería de este tipo no sirve para nada, por lo que los investigadores de la Universidad de Tecnología de Chalmers están trabajando en baterías estructurales hechas de fibras de carbono. Los modelos de prueba tienen una densidad de solo 24 Wh/kg, pero se estima que pueden alcanzar hasta 75 Wh/kg. Por un lado, esto sigue siendo menos que las baterías de ion de litio modernas, pero por otro lado, las celdas estructurales tienen una resistencia similar a la del aluminio, lo que las hace no “masa inútil”, ya que pueden servir como elementos de soporte en los cuerpos de los vehículos o en las estructuras de los edificios.

Baterías de Sodio en Lugar de Litio: Disolventes de Sal

Las innovaciones en la tecnología de baterías también tienen como objetivo eliminar el litio de su construcción, lo que permite la eliminación completa de níquel, manganeso y cobalto. Extraer estos materiales es problemático y tiene una huella de carbono. Por lo tanto, en lugar de litio, se están haciendo experimentos con sodio. El sodio se puede obtener a partir de la desalinización del agua, lo que hace que la producción de estas baterías sea más competitiva a escala industrial en comparación con el método actual de ósmosis inversa.

Las baterías de sodio están siendo desarrolladas por empresas como Natron, con sede en California. Han anunciado que sus celdas tienen una vida útil más de 10 veces más larga que las baterías de Li-ion modernas. Pueden cargar hasta un 99% en solo 8 minutos, tienen una vida útil de más de 50,000 ciclos y son excepcionalmente estables desde el punto de vista térmico. La desventaja es su densidad de energía significativamente menor en comparación con las baterías de ion de litio. Sin embargo, se espera que las baterías de sodio sean populares en vehículos de micromovilidad, donde el costo de la batería es más importante que la autonomía, y la tecnología de iones de sodio es particularmente competitiva en este sentido.

“Baterías Condensadas” Chinas

La empresa china CATL ha anunciado el inicio inminente de la producción en masa de una nueva “batería condensada” con una densidad de energía de hasta 500 Wh/kg. Además, las baterías de este tipo se cargan muy rápidamente. El fabricante afirma que una carga de 10 minutos de un vehículo eléctrico equipado con una batería de este tipo permitirá recorrer hasta 400 km. La enorme densidad de energía de las baterías CATL también permitiría su uso en aviones eléctricos de pasajeros.

Estos notables parámetros se han logrado mediante cambios en el diseño, que involucran principalmente el uso de un nuevo tipo de electrolito y nuevos materiales de cátodo y ánodo. Se espera que las baterías innovadoras del fabricante chino se utilicen en los primeros modelos de vehículos eléctricos a finales de este año. Se estima que revolucionarán la industria de los vehículos eléctricos.

Baterías de Fluoruro: Autonomía de 8000 km y Meses sin Cargar el Smartphone

El litio también puede ser reemplazado por fluoruro, mucho más barato, que podría almacenar hasta 10 veces más energía que las baterías de ion de litio contemporáneas. Se estima que las baterías de fluoruro (FIB) proporcionarán a los vehículos eléctricos una autonomía de hasta 8,000 km con una sola carga y a los teléfonos inteligentes que no requieren carga durante más de un mes. Sin embargo, actualmente conocemos pocos materiales capaces de conducir iones de fluoruro, aunque se están realizando investigaciones intensas para descubrirlos (el ZnTiF6 muestra promesas).

Baterías de Zinc y Aluminio-Sulfuro

Otra alternativa al litio son las baterías de zinc. El problema con las baterías de zinc son los cortocircuitos internos que pueden provocar incendios, causados por las dendritas, ya conocidas. Se espera que una composición química especial del electrolito reduzca la formación de dendritas. El uso de etilenglicol y tetrafluoroborato de zinc ha producido un electrolito no inflamable que mantiene la eficiencia en temperaturas que oscilan entre -30°C y 40°C.

Además, las baterías de aluminio-sulfuro también pueden servir como alternativa a las celdas de litio. Estas baterías utilizan materiales económicos, y las muestras de prueba se cargan a plena capacidad en menos de un minuto. Desafortunadamente, para lograr una eficiencia completa, deben mantenerse a una temperatura de hasta 110°C. Sin embargo, durante el funcionamiento, liberan calor que se puede utilizar para la calefacción. Además, teóricamente, las baterías de aluminio-sulfuro pueden alcanzar una densidad de energía cercana a 1400 Wh/kg, cinco veces más que las baterías de ion de litio más eficientes. Por lo tanto, una batería del Tesla Model 3 que utilice la tecnología de aluminio-sulfuro pesaría solo 96 kg en lugar de 480 kg.

Batería Carbono-Oxígeno: ¿Houston, Tenemos un Problema?

También existe la prometedora tecnología de celdas de carbono-oxígeno. La NASA la diseñó para convertir la atmósfera rica en CO2 de Marte en aire rico en oxígeno. Cuando se aplica voltaje, la celda de carbono-oxígeno divide el dióxido de carbono en oxígeno y monóxido de carbono, generando corriente en el proceso. Se espera que estas celdas tengan un costo de solo $15 por kWh y ofrezcan una densidad de 740 Wh/l (en comparación, una batería de Tesla Model 3 LR cuesta alrededor de $151 por kWh con una densidad de 247 Wh/). Esto las hace tres veces más pequeñas que las celdas Li-ion comparables.

Sin embargo, las baterías de carbono-oxígeno solo pueden mantener una carga durante aproximadamente 100 horas. Después de este tiempo, el monóxido de carbono y el oxígeno en su interior comienzan a reaccionar entre sí, lo que provoca la descarga de la batería. Por lo tanto, esta tecnología no se utilizará en vehículos eléctricos, pero puede emplearse en sistemas de almacenamiento de energía para instalaciones de energía renovable en edificios.

Celdas de Hierro-Aire: ¿Ideales para Energía Renovable?

Se pueden construir baterías eficientes a partir de polvo de óxido de hierro y una solución acuosa. Estos componentes se colocan en un contenedor conectado a una celda de combustible de hidrógeno. Pasar corriente a través de la solución acuosa provoca la liberación de oxígeno del óxido de hierro en polvo, lo que, en este caso, significa cargar la batería. El oxígeno disuelto en el agua pronto se convertirá en óxido de hierro, liberando hidrógeno del agua (así es como se ve la descarga de la batería), que alimentará la celda de combustible, generando electricidad en última instancia.

Los diseñadores de Form Energy, quienes debían construir una batería de hierro-aire funcional, afirmaron que su precio por kWh es solo de $20 (en una batería de Li-ion típica, el precio es de alrededor de $150 por kWh). Sin embargo, estas celdas innovadoras son pesadas y se cargan lentamente. Por lo tanto, en lugar de utilizarse en vehículos eléctricos, es probable que se utilicen para construir sistemas de almacenamiento de energía para instalaciones de energía renovable.

Y ya que estamos en el tema, las baterías de flujo redox también tienen un gran potencial. También se llaman baterías de flujo. Constán de tanques con electrolitos y una membrana especial. Las bombas fuerzan el flujo de electrolitos en ambos lados de la membrana, que es responsable de la transferencia de electrones.

Gracias a este principio de funcionamiento, la capacidad de la batería depende de la cantidad de electrolito y su potencia en el número de celdas. Esto permite la construcción de sistemas de almacenamiento de energía perfectamente adaptados a las necesidades del usuario. Además de la fácil escalabilidad, las baterías de flujo tienen una vida útil de aproximadamente 20,000 ciclos, que supera los 20 años. Además, proporcionan una mayor seguridad contra incendios, y los costos de producción e implementación son atractivos, a pesar de tener una densidad de energía diez veces menor (12 – 40 Wh/kg) en comparación con las baterías Li-ion.

Por supuesto, las baterías de flujo redox no encontrarán aplicación en vehículos de micro-movilidad o automóviles eléctricos. Sin embargo, su uso en sistemas de almacenamiento de energía reducirá la demanda de baterías de ion de litio, lo que reducirá el costo de las baterías producidas utilizando esta tecnología.