Si los vehículos eléctricos llegan a sustituir por completo a los devoradores de gasolina en las carreteras de todo el mundo, van a necesitar un tipo de batería totalmente nuevo. A pesar de las constantes mejoras que se han producido en la última década en la densidad energética y la vida útil de las baterías de iones de litio, las celdas de los nuevos vehículos eléctricos siguen estando por detrás de los motores de combustión interna en casi todos los parámetros de rendimiento. La mayoría de los vehículos eléctricos tienen una autonomía de menos de 500 km, tardan más de una hora en recargar sus baterías, pierden casi un tercio de su capacidad en una década y suponen un grave riesgo para la seguridad debido a sus materiales inflamables.
La solución a estos problemas se conoce desde hace décadas: Se llama batería de estado sólido y se basa en una idea aparentemente sencilla. En lugar de un electrolito líquido convencional -el material que transporta los iones de litio entre los electrodos- utiliza un electrolito sólido. Además, el terminal negativo de la batería, llamado ánodo, está hecho de metal de litio puro. Esta combinación haría que su densidad energética se disparara, permitiría una carga ultrarrápida y eliminaría el riesgo de incendio de la batería. Pero durante los últimos 40 años, nadie ha sido capaz de fabricar una batería de estado sólido que cumpla esta promesa, hasta que a principios de este año una empresa emergente llamada QuantumScape afirmó haber resuelto el problema. Ahora tiene los datos que lo demuestran.
El martes, por primera vez, el cofundador y director general de QuantumScape, Jagdeep Singh, reveló públicamente los resultados de las pruebas de la batería de estado sólido de la empresa. Singh afirma que la batería ha resuelto todos los problemas principales que han afectado a las baterías de estado sólido en el pasado, como la duración increíblemente corta y la lentitud de la carga. Según los datos de QuantumScape, su célula puede cargarse hasta el 80 por ciento de su capacidad en 15 minutos, conserva más del 80 por ciento de su capacidad tras 800 ciclos de carga, es incombustible y tiene una densidad de energía volumétrica de más de 1.000 vatios-hora por litro a nivel de célula, lo que supone casi el doble de la densidad de energía de las células de iones de litio comerciales de gama alta.
«Creemos que somos los primeros en resolver el estado sólido», dijo Singh a WIRED antes del anuncio. «Ningún otro sistema de estado sólido se acerca a esto».
La célula de la batería de QuantumScape tiene el tamaño y el grosor de un naipe. Su cátodo, o terminal positivo, está hecho de óxido de níquel, manganeso y cobalto, o NMC, una química común en las baterías de los vehículos eléctricos. Su electrodo negativo, o ánodo, está hecho de metal de litio puro, pero es más preciso decir que no tiene ánodo, ya que se fabrica sin él. Cuando la batería se descarga durante su uso, todo el litio pasa del ánodo al cátodo. El espacio que queda en el ánodo -más fino que un cabello humano- se comprime temporalmente como un acordeón. El proceso se invierte cuando la batería se carga, y los iones de litio vuelven a inundar el espacio del ánodo.
«Este diseño sin ánodo es importante porque probablemente sea la única forma de fabricar baterías de litio-metal hoy en día con las instalaciones de fabricación actuales», afirma Venkat Viswanathan, ingeniero mecánico que trabaja en baterías de litio-metal en la Universidad Carnegie Mellon y asesor técnico de QuantumScape. «La ausencia de ánodos ha sido un gran reto para la comunidad».
Pero la clave del avance en estado sólido de QuantumScape es el separador cerámico flexible que se sitúa entre el cátodo y el ánodo. Este es el material que pone el «sólido» en el estado sólido. Al igual que el electrolito líquido que se sitúa entre los electrodos de una pila convencional, su función principal es transportar los iones de litio de un terminal al otro cuando la pila se carga y se descarga. La diferencia es que el separador sólido también actúa como una barrera que impide que las dendritas de litio (zarcillos metálicos que se forman en los ánodos de metal de litio durante los ciclos de carga) se cuelen entre los electrodos y provoquen un cortocircuito.
Venkat Srinivasan, director del Centro de Colaboración de Argonne para la Ciencia del Almacenamiento de Energía, lleva casi una década investigando las baterías de estado sólido en el laboratorio nacional de las afueras de Chicago. Dice que encontrar un material separador que permita que los iones de litio fluyan libremente entre los electrodos y que bloquee las dendritas ha sido, con mucho, el mayor reto. Normalmente, los investigadores han utilizado un polímero plástico o una cerámica dura. Aunque los polímeros son el material separador preferido en las baterías de electrolito líquido, son inadecuados para las pilas de estado sólido porque no bloquean las dendritas. Y la mayoría de las cerámicas utilizadas en baterías experimentales de estado sólido han sido demasiado frágiles para durar más de unas pocas docenas de ciclos de carga.
«Estas dendritas son como la raíz de un árbol», dice Srinivasan, que no participó en el trabajo de QuantumScape. «El problema que estamos tratando de resolver es, ¿cómo detener mecánicamente el crecimiento de este sistema de raíces con algo sólido? No puedes poner lo que quieras, porque tienes que alimentar los iones de un lado a otro. Si no lo haces, no hay batería».
Las baterías de iones de litio son sistemas complejos, y la razón de que hayan ido mejorando a lo largo de los años es que el ajuste de una parte de la célula suele tener efectos en cascada que alteran su rendimiento de forma imprevista. Para construir una batería mejor, los investigadores tienen que investigar sistemáticamente diferentes materiales hasta encontrar algo que funcione, lo que puede ser una tarea increíblemente lenta. Singh afirma que QuantumScape tardó 10 años y 300 millones de dólares en I+D antes de dar con un separador de estado sólido que se ajustara a las necesidades. No quiere revelar de qué está hecho -esa es la salsa secreta de la empresa-, pero dice que el material es barato y fácil de conseguir. «No tuvimos ninguna revelación divina que nos dijera: ‘Este material va a funcionar, constrúyelo'», dice Singh. «Tuvimos que pasar por muchos callejones sin salida. Pero la naturaleza nos proporcionó un material que cumplía los requisitos y, por suerte, gracias a nuestro proceso de búsqueda sistemática, pudimos encontrarlo».
Singh dice que la batería de QuantumScape es el tipo de cambio de rendimiento que impulsará los vehículos eléctricos a la corriente principal. No es el único que lo piensa. La empresa cuenta con Bill Gates y Vinod Khosla entre sus inversores, y varios barones de las baterías, como el cofundador de Tesla, J. B. Straubel, forman parte de su consejo de administración. Uno de los mayores patrocinadores de la empresa es Volkswagen, el mayor fabricante de automóviles del mundo, que ha invertido más de 300 millones de dólares en QuantumScape y tiene previsto empezar a utilizar las células de estado sólido en algunos de sus vehículos eléctricos a partir de 2025.
QuantumScape y VW no son las únicas empresas en el juego de las baterías de estado sólido, por supuesto. Toyota también está desarrollando una célula de estado sólido, que los responsables de la empresa tenían previsto presentar en los Juegos Olímpicos de Tokio este año antes de que se pospusiera debido a la pandemia. Al igual que VW, Toyota planea tener sus baterías de estado sólido en la carretera para 2025. Sin embargo, a principios de este año, Keiji Kaita, vicepresidente de la división de trenes motrices de Toyota, declaró a la publicación del sector Automotive News que la empresa todavía tenía que mejorar la limitada vida útil de las baterías. Los representantes de Toyota no respondieron a la solicitud de WIRED para que hicieran comentarios.
Una empresa emergente de seis años llamada Solid Power también ha fabricado una célula de estado sólido que funciona y ha empezado a producir prototipos de baterías con 10 capas apiladas en una planta piloto de Colorado. Al igual que QuantumScape, estas pilas tienen un ánodo de metal de litio y un electrolito cerámico de estado sólido. El electrolito de Solid Power está basado en el sulfuro, una química deseable para las baterías de estado sólido por su alta conductividad y compatibilidad con los procesos de fabricación existentes. La empresa se ha asociado con varios fabricantes de automóviles, como Ford, BMW y Hyundai, aunque sus ejecutivos no esperan ver sus celdas en la carretera antes de 2026 debido al largo proceso de calificación de los automóviles. Solid Power aún no ha hecho públicos los datos de su celda, pero se espera que la empresa presente una celda más grande y publique sus datos de rendimiento por primera vez este jueves.
«El panorama competitivo de las baterías de estado sólido está cada vez más concurrido debido al enorme potencial que tienen las baterías de estado sólido para permitir la electrificación de los vehículos», afirma Doug Campbell, director general de Solid Power. «Los datos de rendimiento de QuantumScape son impresionantes, pero vienen con una importante advertencia. Todos los datos de las pruebas se generaron en celdas individuales que, técnicamente hablando, no son baterías completas. La fina celda presentada por QuantumScape está destinada a apilarse con otras 100 para formar una celda completa del tamaño de una baraja de cartas. Para alimentar un vehículo eléctrico se necesitarán cientos de esas baterías apiladas, pero hasta ahora la empresa no ha probado una célula completamente apilada.
El escalado de una batería desde una subunidad de una sola célula a una célula completa y, finalmente, a un paquete de baterías completo puede crear muchos problemas, dice Srinivasan. Cuando las baterías se fabrican en lotes pequeños, dice, es más fácil eliminar los defectos que surgen durante el proceso de producción. Pero una vez que se empieza a fabricar baterías a gran escala, puede ser difícil controlar los defectos, que pueden mermar rápidamente el rendimiento de una batería. «Aunque un material pueda parecer muy prometedor a pequeña escala, en el escalado estos defectos pueden convertirse en un problema mayor», dice Srinivasan. «El funcionamiento en el mundo real es muy diferente del funcionamiento a escala de laboratorio»
Jeff Sakamoto, un ingeniero mecánico centrado en el almacenamiento de energía en la Universidad de Michigan que no participó en QuantumScape, está de acuerdo. Afirma que todavía existen importantes lagunas de conocimiento sobre las propiedades mecánicas fundamentales de las baterías de litio-metal de estado sólido, lo que podría crear problemas a la hora de comercializar la tecnología. Señala el primer avión comercial de pasajeros del mundo, el malogrado De Havilland Comet, como ejemplo de las consecuencias de lanzar una tecnología antes de que se conozcan completamente sus propiedades materiales. Poco después de que el Comet surcara los cielos, sufrió varias roturas catastróficas en pleno vuelo porque los ingenieros no comprendían del todo el proceso de degradación de los metales utilizados en su casco. Aunque lo que está en juego es algo menor en el caso de las celdas de estado sólido que en el de los aviones comerciales -las baterías, al fin y al cabo, están diseñadas para ser ultraseguras-, una batería que salga al mercado y experimente problemas inesperados de rendimiento podría ralentizar la electrificación del transporte.
«Me asombra lo poco que se sabe sobre el comportamiento mecánico del metal de litio y cómo la física del litio afecta a la viabilidad de las baterías de estado sólido», dice Sakamoto. «No sé hasta qué punto estas lagunas de conocimiento afectarán a la adopción generalizada de las baterías de estado sólido de metal de litio. Pero cuanto más sepamos sobre el comportamiento fundamental, mejor será la transición hacia la adopción a gran escala».
Singh no se inmuta ante los retos que QuantumScape debe afrontar antes de que sus baterías salgan del laboratorio y lleguen a un coche. En su opinión, la empresa ha resuelto los difíciles problemas de ciencia básica que han obstaculizado la comercialización de una batería de estado sólido. «No quiero trivializar el trabajo que queda por hacer», dice Singh. «Pero no se trata de si esto funcionará o no. Es una cuestión de ingeniería».
A principios de este año, QuantumScape salió a bolsa a través de una sociedad de adquisición especial y añadió unos 700 millones de dólares a su ya considerable balance. Singh afirma que la empresa cuenta ahora con más de 1.000 millones de dólares en su caja de guerra, lo que es más que suficiente para llevarla a la producción. Parece imposible que la empresa pueda fracasar, pero eso es también lo que pensaron los inversores sobre A123 Systems y Envia Systems, dos empresas que obtuvieron enormes cantidades de dinero de los fabricantes de automóviles con la promesa de una batería para vehículos eléctricos que cambiaría las reglas del juego, pero que se derrumbaron cuando el rendimiento de sus celdas no estuvo a la altura de las expectativas. QuantumScape podría convertirse en la primera empresa emergente en ofrecer una batería comercial de estado sólido, pero la compañía aún tiene un largo camino por delante.
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