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Cambio Climático

TR10: Baterías de metal de litio para masificar el coche eléctrico

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Un nuevo tipo de batería podría lograr por fin que los vehículos eléctricos resulten tan competitivos y baratos como los de gasolina

  • por James Temple | traducido por Ana Milutinovic
  • 23 Febrero, 2021

  • ¿Qué? Un nuevo tipo de batería por fin podría hacer que los coches eléctricos fueran tan cómodos y baratos como los que funcionan a gasolina.

  • ¿Por qué? Las limitaciones de rendimiento de las baterías han dificultado pasar a los coches eléctricos más limpios y han descartado la posibilidad de contar con los aviones eléctricos.

  • ¿Quién? QuantumScape, Instituto de Tecnología Avanzada de Samsung, Solid Power y 24M

  • ¿Cuando? 2025

A pesar de todas las expectativas y grandes esperanzas en torno a los vehículos eléctricos, de momento, solo representan alrededor del 2 % de las ventas de coches nuevos en EE. UU. y un poco más a nivel mundial. Para muchos, simplemente resultan demasiado caros, con un alcance muy limitado, y con recargas más lentas y difíciles de encontrar que las que ofrece una gasolinera.

Todas estas limitaciones tienen que ver con las baterías de iones de litio que alimentan estos vehículos. Son caras, pesadas y se agotan rápidamente. Lo que es peor, las baterías dependen de electrolitos líquidos que pueden estallar durante las colisiones.

Para que los coches eléctricos sean más competitivos frente a los que funcionan con gasolina necesitan una revolucionaria batería capaz de superar esas deficiencias. Al menos, ese es el argumento del director ejecutivo de la start-up de Silicon Valley (EE. UU.) QuantumScape, Jagdeep Singh, que afirma haber desarrollado tal tecnología.

La empresa asegura que lo logró resolviendo un problema de química que llevaba desconcertando a los investigadores durante casi medio siglo: cómo usar el litio, el metal más liviano de la tabla periódica, para aumentar la cantidad de energía que se puede almacenar en una batería sin causar el habitual riesgo de incendio ni sacrificar el rendimiento. La compañía explica que lo logró, en gran parte, desarrollando una versión sólida del electrolito líquido inflamable.

Volkswagen quedó tan impresionado con la idea que decidió invertir cientos de millones de euros en QuantumScape. El gigante automovilístico alemán también acordó crear una joint venture (filial conjunta) con QuantumScape para fabricar en las baterías masa y cree que sus coches y camiones eléctricos equipados con ellas estarán circulando por las carreteras en 2025.

Tiempos de carga más cortos y mayor alcance

En una batería convencional de iones de litio, uno de los dos electrodos (el ánodo) está hecho principalmente de grafito. Se trata de una forma del carbono que puede absorber y liberar fácilmente los iones de litio cargados que fluyen hacia adelante y hacia atrás entre el ánodo y el cátodo a través del electrolito. Esa corriente de partículas cargadas produce la corriente eléctrica, que sale de la batería para alimentar lo que haga falta. Pero el grafito es simplemente un anfitrión para los iones de litio, que se anidan entre las láminas de carbono como paquetes en una estantería. El grafito es un peso muerto que no almacena energía ni produce corriente por sí solo.

En una batería litio-metal, el ánodo está hecho de litio. Esto significa que casi todos los átomos del ánodo de la batería también pueden ponerse a trabajar para crear corriente. En teoría, un ánodo litio metálico podría almacenar un 50 % más de energía que uno de grafito del mismo peso y volumen.

Sin embargo, como el metal de litio es tan reactivo, estar en contacto constante con un electrolito líquido puede desencadenar reacciones que deterioran la batería o la queman, explica el consultor de QuantumScape y profesor asociado de Carnegie Mellon (EE. UU.) que trabaja con las baterías litio metálico Venkat Viswanathan. Otro problema consiste en que mientras los iones de litio fluyen hacia adelante y hacia atrás, en las baterías se pueden formar estructuras con forma de aguja conocidas como dendritas y provocar un cortocircuito en la celda o causar un incendio.

QuantumScape, que salió a bolsa en pasado noviembre después de operar en modo sigiloso durante una década, todavía oculta algunos de los detalles fundamentales sobre cómo su batería de electrolitos sólidos supera estos problemas. Pero parece que funciona bastante bien.

batería de litio de estado sólido

En una presentación online en diciembre, la start-up mostró una serie de gráficos señalando que una versión de laboratorio de una sola capa se puede cargar a más del 80 % de su capacidad en 15 minutos, dura cientos de miles de kilómetros y funciona bien a temperaturas bajo cero. La empresa espera que sus baterías puedan aumentar el alcance de los vehículos eléctricos en más del 80 %: un coche que puede recorrer 400 kilómetros con una sola carga hoy en día podría conducir 725 kilómetros.

La investigadora de baterías en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (EE. UU.), Nancy Dudney, que ha realizado un trabajo pionero sobre los electrolitos de estado sólido, admite: "QuantumScape me ha sorprendido de nuevo. A primera vista, tiene muy buena pinta", aunque añade que no es la primera vez que otros avances en baterías llegan a ese punto.

De hecho, el campo de las baterías está plagado de ejemplos de start-ups que prometieron tecnologías innovadoras, pero que al final fracasaron. Y los desafíos que tiene por delante QuantumScape son abrumadores, especialmente cuando se trata de convertir sus células prototipo en productos comerciales que se puedan fabricar a bajo precio.

Si la empresa tiene éxito, podría transformar el mercado de vehículos eléctricos. La posibilidad de reducir costes, aumentar el alcance y que la carga sea casi tan cómoda como llenar el depósito en una gasolinera podría ampliar la demanda más allá de las personas capaces de pagar miles de euros para instalar una electrolinera en su casa, y aliviar la ansiedad de los que temen quedarse tirados en viajes largos.

La densidad de energía adicional y la carga más rápida también podrían hacer que sea más práctico electrificar otras formas de transporte, incluidos los camiones de larga distancia e incluso los vuelos más cortos. (Como beneficio añadido, también los teléfonos y ordenadores portátiles podrían durar un par de días con una sola carga).

El nacimiento de la batería

La historia de las baterías de metal de litio comenzó a principios de la década de 1970 y está estrechamente relacionada con el desarrollo de las de iones de litio de las que dependemos actualmente. Las crisis del petróleo de la época, junto con lo que resultarían ser los primeros temores sobre el uso de petróleo, de repente crearon interés en los vehículos eléctricos por primera vez desde los inicios de la industria automovilística. En 1972, American Motors, Chrysler, Ford, GM, Toyota, Volkswagen y otras empresas trabajaban ya en los coches eléctricos, como describe el escritor científico Seth Fletcher en su libro Bottled Lighting. Además, los grandes laboratorios industriales, incluidos los de GE, Dow Chemical y Exxon, buscaban mejores sustancias químicas para las baterías.

Las baterías de aquel entonces, que en su mayoría de eran plomo-ácido, no podían ni acercarse a las distancias o velocidades de los motores de gasolina. En 1969, el coche eléctrico experimental 512 de General Motors alcanzaba una velocidad máxima de aproximadamente 48 kilómetros por hora, con un alcance de 75 kilómetros.

En 1972, la división de investigación de Exxon contrató a un joven químico llamado Stan Whittingham debido a su trabajo postdoctoral en la Universidad de Stanford (EE. UU.). Específicamente, Whittingham desarrollaba los materiales cristalinos que permitían que los iones entraran y salieran fácilmente. En Exxon, Whittingham y sus colegas empezaron a experimentar con un prometedor material poroso para el cátodo: el disulfuro de titanio. Lo emparejaron con el ánodo hecho de litio metálico, un material altamente reactivo que fácilmente libera sus electrones. Ese intento funcionó sorprendentemente bien.

El equipo solicitó patentarlo en 1973, publicó un memorable artículo en Science en 1976 y mostró una versión más grande de las celdas en un salón de coches en 1977.

A principios de la década de 1980, la crisis del petróleo había terminado. La nueva dirección de Exxon decidió deshacerse de cualquier línea comercial que no tuviera el potencial de alcanzar un mercado anual de 100 millones de dólares (82 millones de euros). La empresa abandonó sus esfuerzos relacionados con los vehículos eléctricos y baterías. Whittingham recuerda: "Dijeron: 'Esto es demasiado pequeño para que nos involucremos tanto'".

El ion de litio se impone

Las baterías de metal de litio eran muy superiores a las de plomo-ácido, pero también tenían inconvenientes inherentes que el equipo de Exxon nunca consiguió resolver, incluidos los incendios habituales que sufrían en el laboratorio. Otros que intentaron comercializar las baterías de metal de litio se encontraron con problemas parecidos. En la década de 1980, Moli Energy de la Columbia Británica (Canadá) desarrolló una batería de metal de litio de 2,2 voltios para ordenadores portátiles y teléfonos móviles. Pero en 1989, un teléfono móvil japonés se incendió, quemando a su dueño. Después de que la investigación determinara que la culpable había sido la batería, miles de teléfonos móviles fueron retirados del mercado y la empresa quebró, según Electric Autonomy Canada.

Mientras tanto, otros se basaban en el trabajo de Whittingham. El profesor de la Universidad de Texas en Austin (EE. UU.) John Goodenough usó óxido de cobalto en vez de disulfuro de titanio para desarrollar un cátodo que podría almacenar más energía. El profesor de la Universidad de Meijo (Japón) Akira Yoshino cambió el ánodo de litio puro por coque (otra forma de carbón), que aún podía almacenar muchos iones de litio y reducía los peligros de incendio. Finalmente, los investigadores de Sony ensamblaron las piezas para desarrollar las primeras baterías comerciales de iones de litio en 1992. Whittingham, Goodenough y Yoshino compartieron el Premio Nobel de Química en 2019 por su papel en este avance.

El gran éxito de las baterías de iones de litio, que actualmente alimentan nuestros ordenadores portátiles, teléfonos y vehículos eléctricos, aplastó los esfuerzos para comercializar la tecnología de metal de litio en los años siguientes. Pero algunos nunca perdieron de vista el potencial del metal de litio como una forma más eficiente de almacenamiento de energía. Y sustituir los electrolitos líquidos estándar, que son disolventes efectivamente combustibles, por materiales sólidos parecía una vía de exploración especialmente prometedora.

Alrededor del año 2000, el equipo del Laboratorio Nacional de Oak Ridge mostró las baterías de película delgada, el tipo que se utiliza en los pequeños dispositivos electrónicos como tarjetas inteligentes y marcapasos, que usan la tecnología de metal de litio en estado sólido. El experto en baterías de la Universidad de Maryland (EE. UU.) Paul Albertus resalta que el proceso de producción y el tamaño y la forma de las baterías de película delgada limitan su uso más allá de cualquier cosa más grande que un reloj. Pero ese trabajo proporcionó una prueba de concepto crucial para el funcionamiento de la batería de metal de litio.

Pérdidas por el camino

Varias start-ups volvieron a dedicarse a esa tecnología a finales de la década de 2000. Pero el camino ha resultado estar sembrado de obstáculos.

Algunas ya han cerrado. Seeo, creada en 2007, fue comprada por la empresa alemana Bosch, que luego disolvió sus esfuerzos de investigación de baterías. Bolloré, con sede en Francia, fue la primera en colocar las baterías de metal de litio de estado sólido en los vehículos de carretera, y lanzó sus programas de uso compartido de coches Bluecar en 2011. Pero sus electrolitos a base de polímeros solo funcionan a temperaturas más altas, lo que limita su uso en vehículos de consumo.

fabricación de baterías

No obstante, un puñado de empresas han logrado avances más recientes. En concreto, dos días después de la presentación de QuantumScape en diciembre pasado, la start-up Solid Power de Colorado (EE. UU.), fundada en 2012, anunció que ya estaba produciendo los lotes a escala piloto de celdas de metal de litio de 22 capas que superarían el rango de las baterías de vehículos eléctricos actuales.

Y en enero, ARPA-E (Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada-Energía del Gobierno de Estados Unidos) anunció que iba a invertir 7,4 millones de euros en un esfuerzo de la compañía de baterías 24M y Viswanathan de Carnegie Mellon para desarrollar baterías de metal de litio diseñadas para aviones eléctricos, donde la energía almacenada y la potencia entregada por kilogramo resultan cruciales.

Los inicios de QuantumScape

Lo importante para cualquier empresa que desarrolle baterías de metal de litio ha sido identificar los materiales electrolíticos que previenen los incendios y las dendritas y, al mismo tiempo, permiten que los iones circulen fácilmente y sin afectar el rendimiento de la batería. Y eso es precisamente lo que QuantumScape afirma haber hecho.

Los orígenes de la empresa se remontan a 2009. Mientras Singh se preparaba para dejar el cargo de CEO de Infinera, la empresa de redes en la que era uno de los cofundadores, empezó a hablar con el becario postdoctoral de la Universidad de Stanford (EE. UU.), Tim Holme y su asesor, Friedrich Prinz, sobre la posibilidad de crear una compañía basada en su investigación sobre los nuevos materiales para baterías.

Los tres confundieron QuantumScape el año siguiente, con el objetivo de desarrollar baterías densas en energía con alta potencia. Primero intentaron llevarlo a cabo creando un tipo de batería completamente nuevo, conocido como batería de solo electrones, pero descubrieron que era más difícil de lo que parecía.

Hasta entonces, la empresa había recaudado decenas de millones de euros de firmas de capital de riesgo como Kleiner Perkins y Khosla Ventures. Eso dejó a QuantumScape con suficiente efectivo para cambiar de dirección en silencio, persiguiendo el sueño de la tecnología de metal de litio.

La compañía pasó los siguientes cinco años buscando el material adecuado para desarrollar un electrolito de estado sólido, según Singh. Luego, estuvo otros cinco años trabajando en la composición correcta y el proceso de fabricación para evitar defectos y dendritas. Lo único que la empresa revela sobre su electrolito es que es de cerámica.

¿Ya lo hemos logrado?

Todas las pruebas publicadas por QuantumScape hasta ahora se realizaron en las celdas de una sola capa. Para funcionar en coches, la empresa tendrá que producir baterías con varias docenas de capas, pasando eficazmente de una sola carta a una baraja. Y aún tendrá que encontrar una manera de fabricar estas celdas a un precio suficientemente bajo para poder competir con las baterías de iones de litio, esa tecnología de baterías que ha dominado durante décadas.

Se trata de una ardua tarea de ingeniería. "Después de 10 años, 247 millones de euros y 150 personas trabajando en esto, están a mitad de camino, ahora tienen esta pequeña carta que pueden jugar. Eso está muy lejos de producir baterías a la escala de miles de toneladas métricas, y es un reto realmente difícil", explica Albertus. Varios investigadores de baterías me admitieron que dudaban seriamente de que QuantumScape fuera a escalar y completar todas las pruebas de seguridad a tiempo para poner las baterías en los coches en la carretera en solo cuatro años a partir de ahora.

Dados los resultados de la propia empresa y los anuncios alentadores de otras start-ups, la mayoría de las personas del mundo de las baterías cree que es más probable que los problemas que han obstaculizado el desarrollo de las baterías de metal de litio durante décadas puedan resolverse, por lo que esta tecnología se encuentra en la lista de las 10 Tecnologías Emergentes de 2021 de MIT Technology Review. Pero también está claro que, a pesar de todo el progreso que se ha logrado desde la época de Whittingham en Exxon, aún quedan años de trabajo por delante.

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