El rápido crecimiento del mercado de vehículos eléctricos ha impulsado el desarrollo, la fabricación y la venta de baterías, especialmente las de iones de litio, que dominan el sector desde hace una década. Sin embargo, debido a las limitaciones de rendimiento, la protección del medio ambiente y las consideraciones relativas a la cadena de suministro, las tecnologías de almacenamiento de energía de nueva generación no dejan de ser objeto de investigación y desarrollo. Entre todas las opciones, los debates populares sobre las baterías de estado sólido han suscitado esfuerzos tanto en el mundo académico como en la industria. Las baterías de estado sólido son las que más han llamado la atención de institutos de investigación, proveedores de materiales, vendedores de baterías, proveedores de componentes, fabricantes de equipos originales de automoción, capitales de riesgo e inversores. Además, cada vez son más las empresas que trabajan en el campo de las baterías de estado sólido en todo el mundo.
¿Qué pueden aportar las pilas de estado sólido a la realidad?
Las baterías de estado sólido se consideran el «santo grial», ya que se cree que tienen muchas ventajas. Entre ellas, mayor seguridad, mayor densidad energética, ciclos de vida más largos, mayor durabilidad, rango de temperaturas de funcionamiento más amplio, apilamiento compacto, diseño simplificado de la batería, posibilidad de flexibilidad mecánica y muchas más.
Por ejemplo, las baterías de estado sólido sustituyen los electrolitos líquidos orgánicos por otros de estado sólido, lo que permite crear baterías más seguras y duraderas. Además, el electrolito de estado sólido puede ser compatible con materiales de cátodo de alto voltaje y ánodo metálico de litio de alta capacidad. Es posible llevar la densidad energética más allá de los 1.000 Wh/L.
Sin embargo, la mayoría de los electrolitos de estado sólido tienen una densidad mayor que el separador de poliolefina, especialmente el electrolito de estado sólido inorgánico. Y suelen ser más espesos que los separadores utilizados en las baterías de iones de litio convencionales. Si los electrodos se mantienen iguales (ánodo de grafito y cátodo de óxido metálico estratificado), la mayoría de las baterías de estado sólido acaban teniendo una densidad energética gravimétrica inferior a la de las baterías de iones de litio.
Además, muchas personas mencionan que el sistema de gestión térmica puede eliminarse en el caso de las baterías de estado sólido porque son seguras. Sin embargo, esto no es cierto. Las baterías de estado sólido pueden tener una zona de funcionamiento seguro diferente a la de las baterías de iones de litio. Siguen siendo necesarios los sistemas de gestión térmica y muchas otras protecciones.
Otra voz dice que las baterías de estado sólido no tendrán ninguna oportunidad, ya que sus propuestas de valor son poco realistas o demasiado difíciles de conseguir.
Las opiniones optimistas y pesimistas indican una falta de comprensión de las baterías de estado sólido. Como el sector de las baterías de estado sólido aún está inmaduro, dependiendo de la tecnología de que hablemos, tienen diferentes propuestas de valor, diseños de celdas, rendimiento, requisitos de la cadena de suministro, métodos de fabricación y niveles de preparación. Pero, en términos generales, la mayor seguridad, la densidad energética potencialmente más alta y los diseños de sistemas simplificados siguen siendo los principales impulsores de las baterías de estado sólido.
Tres grandes sistemas de materiales
Dentro del régimen de baterías de estado sólido, existen varios enfoques tecnológicos. Los sistemas de óxido, sulfuro y polímero se han convertido en las opciones más populares en el desarrollo de la próxima generación, con otras variaciones dentro de cada categoría. En general, los electrolitos de sulfuro presentan las ventajas de una alta conductividad iónica, incluso mejor que la del electrolito líquido, baja temperatura de procesamiento, amplia ventana de estabilidad electroquímica, etc. Muchas características los hacen atractivos, siendo considerados por muchos como la opción definitiva. Sin embargo, la dificultad de fabricación y el subproducto tóxico sulfuro de hidrógeno generado en el proceso hacen que su comercialización sea relativamente lenta. Los sistemas poliméricos son fáciles de fabricar, la mayoría son compatibles con las instalaciones de fabricación existentes y algunos ya se comercializan. Sin embargo, la temperatura de funcionamiento relativamente alta, el bajo potencial antióxido y la peor estabilidad indican la existencia de desafíos. Los sistemas de óxido son más estables que el litio metálico, con buenas estabilidades electroquímica y térmica. Sin embargo, la mayor resistencia de la interfaz y los procesos de fabricación de mayor coste y menor rendimiento muestran algunas dificultades en general.
Hay más cosas que debemos comprender mejor
Ninguna tecnología es perfecta, y la complicación de los detalles técnicos, las condiciones de ensayo y los datos seleccionados para su publicación pueden confundir al público en cuanto a los pros y los contras de cada tecnología. Por eso, este informe pretende ofrecer una explicación y un análisis detallados desde un punto de vista técnico, con nuestras propias opiniones. También se evalúan las expectativas y esperanzas de las baterías de estado sólido. Aunque las baterías de estado sólido actuales no pueden ofrecer algunas ventajas en comparación con las convencionales de iones de litio, la mayor seguridad, el aumento potencial de la densidad energética y la simplificación del diseño a nivel de sistema siguen siendo los principales impulsores de las baterías de estado sólido.
IDTechEx lleva siguiendo el desarrollo de las baterías de estado sólido desde 2014, y con años de experiencia, hemos observado la transición gradual de los esfuerzos en esta industria. Por ejemplo, al principio nos centrábamos sobre todo en el electrolito de estado sólido y en la demostración de media celda o celda completa. Con la mejora, se consideran más cosas para la comercialización. La validación de muestras, el diseño de sistemas, el establecimiento de la cadena de suministro y la optimización de la fabricación son cada vez más importantes.
