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La celda de una sola capa de la batería de metal de litio de QuantumScape

Cambio Climático

Estas baterías pretenden pisar el acelerador del coche eléctrico

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QuantumScape afirma haber desarrollado baterías de estado sólido que reducen el tiempo de carga, permiten una mayor autonomía y son más económicas y seguras. Volkswagen prevé incorporarlas en sus vehículos en 2025, pero algunos expertos desconfían debido a los retos que aún tienen que superar para su fabricación

  • por James Temple | traducido por Ana Milutinovic
  • 16 Diciembre, 2020

Desde hace tiempo, los científicos consideran que las baterías de metal de litio son una tecnología ideal para el almacenamiento de energía y aprovechan el metal más liviano de la tabla periódica para producir celdas llenas de energía.

Pero investigadores y empresas llevan décadas intentando y fracasando en la producción de versiones asequibles y recargables que tengan poco riesgo de incendio.

A principios de este año, el CEO de QuantumScape, Jagdeep Singh, afirmó en una entrevista en The Mobilist que esta discreta empresa de Silicon Valley, que ha recaudado una gran financiación, había resuelto los desafíos técnicos clave. Añadió que Volkswagen esperaba tener las baterías en sus coches y camiones en el 2025, con la promesa de reducir el coste y aumentar la autonomía de sus vehículos eléctricos.

Después de su salida a bolsa en noviembre, QuantumScape ya está valorada en unos 20.000 millones de dólares (más de 16.000 millones de euros), a pesar de que aún no tiene ni productos lanzados ni ingresos. De hecho, no se espera que los tenga hasta 2024. Volkswagen ha invertido más de 300 millones de dólares (unos 250 millones de euros) en esta compañía y ha creado una joint venture (filial conjunta) con QuantumScape para fabricar las baterías. La compañía también ha recaudado cientos de millones de dólares de otros grandes inversores.

Pese a ello, hasta ahora Singh había revelado pocos detalles sobre la batería, lo que llevó a los investigadores, competidores y periodistas a buscar información en las solicitudes de patentes, documentos de inversores y en otras fuentes sobre qué había logrado exactamente esta empresa y cómo lo había hecho.

En un comunicado de prensa publicado el martes 8 de diciembre, QuantumScape por fin ha proporcionado los resultados técnicos de sus pruebas de laboratorio. Su tecnología se basa una batería de estado parcialmente sólido, lo que significa que utiliza un electrolito sólido en lugar del líquido del que dependen la mayoría de las baterías.

Numerosos investigadores y empresas están explorando la tecnología de estado sólido para una variedad de sustancias químicas de baterías porque este enfoque tiene el potencial de mejorar la seguridad y la densidad de energía, aunque el desarrollo de una versión práctica ha resultado difícil.

La empresa QuantumScape, con sede en San José, California (EE. UU.), aún oculta ciertos detalles sobre su batería, incluidos algunos de los materiales y procesos clave que utiliza para su funcionamiento. Mientras tanto, algunos expertos siguen siendo escépticos de que la compañía realmente haya abordado los complejos obstáculos técnicos para tener una batería de metal de litio en los vehículos comerciales en los próximos cinco años.

Las pruebas: una batería resistente y duradera

En una entrevista con MIT Technology Review, Singh asegura que su empresa ha demostrado que sus baterías satisfacen eficazmente cinco necesidades básicas de los consumidores y que hasta ahora han impedido que los vehículos eléctricos superen el 2 % de las ventas de coches nuevos en EE. UU.: costes más bajos, mayor alcance, tiempos de carga más cortos, mayor vida útil en la carretera y mejora de la seguridad.

"Cualquier batería capaz de cumplir con estos requisitos realmente puede abrir el 98 % del mercado de una manera que resulta imposible actualmente", sostiene.

Foto: El CEO de QuantumScape, Jagdeep Singh. Cortesía: QuantumScape

Efectivamente, los resultados de rendimiento de QuantumScape son sobresalientes.

Las baterías pueden cargarse al 80 % de su capacidad en menos de 15 minutos. Como comparación, MotorTrend descubrió que el Supercargador V3 de Tesla cargó su Model 3 del 5 % al 90 % en 37 minutos, en una prueba realizada el año pasado. También retienen más del 80 % de su capacidad durante 800 ciclos de carga, que es el equivalente aproximado a conducir 240.000 millas (386.243 kilómetros). De hecho, la batería muestra poco deterioro incluso cuando se somete a ciclos agresivos de carga y descarga.

Por último, la empresa explica que la batería está diseñada para lograr rangos de conducción que podrían superar los de los vehículos eléctricos con baterías estándar de iones de litio en más de un 80 % de los casos, aunque eso aún no ha sido probado directamente.

"Los datos de QuantumScape son bastante impresionantes", admite el profesor asistente de ingeniería química y biomolecular de la Universidad de Maryland (EE. UU.) y exdirector del programa IONICS centrado en el estado sólido de ARPA-E (Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada-Energía del Gobierno de Estados Unidos) Paul Albertus, que no pertenece a QuantumScape ni tiene relación económica con la compañía.

La empresa ha "ido mucho más lejos que otras que he visto" en baterías de metal de litio y añade: "Han corrido un maratón, mientras que todas las demás han hecho solo una carrera de 5 kilómetros".

El secreto de las baterías

Pero ¿cómo han logrado todo esto?

En una batería estándar de iones de litio de un coche eléctrico actual, uno de los dos electrodos (el ánodo) está hecho principalmente de grafito, que almacena fácilmente los iones de litio que fluyen hacia adelante y hacia atrás por la batería. En una batería de metal de litio, ese ánodo está hecho de litio. Eso significa que casi todos los electrones pueden almacenar la energía, que es lo que explica la mayor densidad de energía.

Pero esto genera un par de grandes desafíos. El primero es que el metal es altamente reactivo, por lo que, si entra en contacto con un líquido, incluido el electrolito que soporta el movimiento de esos iones en la mayoría de las baterías, puede desencadenar reacciones secundarias que deterioran la batería o provocan que se queme. El segundo es que el flujo de iones de litio puede crear estructuras con forma de aguja conocidas como dendritas, que pueden perforar el separador situado en medio de la batería, provocando un cortocircuito en la celda.

A lo largo de los años, esos problemas han llevado a los investigadores a intentar desarrollar electrolitos de estado sólido que no reaccionen con el metal de litio, utilizando cerámicas, polímeros y otros materiales.

Una de las innovaciones clave de QuantumScape ha sido el desarrollo de un electrolito cerámico de estado sólido que también sirve como separador. Con solo unas pocas decenas de micrómetros de espesor, evita la formación de dendritas al tiempo que permite que los iones de litio pasen fácilmente de un lado a otro. El electrolito en el otro extremo de la batería, en el lado del cátodo, es una especie de gel, por lo que no es una batería de estado sólido totalmente.

Singh no ha querido especificar el material que usan e indica que es uno de sus secretos comerciales mejor guardados. Algunos expertos en baterías sospechan, sobre la base de las solicitudes de patentes, que se trata de un óxido conocido como LLZO. Tardaron cinco años en encontrarlo y otros cinco en desarrollar la adecuada composición y el proceso de fabricación para prevenir los defectos y las dendritas.

La empresa cree que el cambio a la tecnología de estado sólido hará que las baterías sean más seguras que las de iones de litio del mercado actual, que todavía se incendian en ocasiones en circunstancias extremas.

El otro gran avance es que la batería se fabrica sin un ánodo definido (vea el vídeo de QuantumScape para tener una mejor idea de su diseño "sin ánodo").

A medida que la batería se carga, los iones de litio en el lado del cátodo atraviesan el separador y forman una capa perfectamente plana entre este y el contacto eléctrico en el extremo de la batería. Casi todo ese litio regresa al cátodo durante el ciclo de descarga. De esta forma, se elimina la necesidad de cualquier material "anfitrión" del ánodo que no contribuya directamente al trabajo de almacenar la energía o transportar la corriente, lo que reduce aún más el peso y el volumen necesarios. También debería rebajar los costes de fabricación, según la empresa.

Riesgos restantes

Sin embargo, hay un problema: los resultados de QuantumScape provienen de las pruebas de laboratorio realizadas en las celdas de una sola capa. Una batería de coche real necesitaría tener docenas de capas funcionando juntas. Pasar de la línea piloto a la fabricación comercial es un gran desafío en el almacenamiento de energía y el punto en el que fracasaron muchas de las start-ups de baterías que fueron prometedoras en su día.

Albertus indica que hay un gran historial de afirmaciones prematuras sobre los avances en las baterías, por lo que cualquier nueva promesa se recibe con escepticismo. Le gustaría ver a QuantumScape someter las células de la empresa a los tipos de pruebas independientes que realizan los laboratorios nacionales, en las condiciones estandarizadas.

Otros especialistas de la industria han expresado dudas de que la compañía pueda conseguir las pruebas de seguridad y de escala requeridas para la introducción de las baterías en los vehículos en la carretera en 2025 si la empresa hasta ahora solo ha probado rigurosamente las celdas de una sola capa.

Sila Nanotechnologies, la start-up de baterías rival que desarrolla un tipo diferente de materiales de ánodos densos en energía para las baterías de iones de litio, publicó un libro blanco un día antes de la publicación de The Mobilist que destacaba una letanía de desafíos técnicos para las baterías de metal de litio de estado sólido. La compañía señala que muchas de las ventajas teóricas del metal de litio se reducen a medida que las empresas trabajan hacia las baterías comerciales, dadas todas las medidas adicionales necesarias para que funcionen.

Pero en su investigación se pone de manifiesto que la parte más difícil será superar el desafío del mercado: competir con la enorme infraestructura global ya establecida de suministro, producción, envío e instalación de las baterías de iones de litio.

Fuertes apuestas

No obstante, otros analistas creen que los recientes avances en el campo indican que las baterías de metal de litio superarán significativamente la densidad de energía de la tecnología de iones de litio y que los problemas que existen en el campo pueden resolverse.

"Antes nos preguntábamos si tendríamos baterías de metal de litio; en la actualidad es una cuestión de cuándo las tendremos", señala el profesor asociado de la Universidad Carnegie Mellon (EE. UU.) Venkat Viswanathan, que ha investigado estas baterías y también ha realizado trabajos de consultoría para QuantumScape.

Singh reconoce que la empresa aún se enfrenta a varios desafíos, pero insiste en que están relacionados con la ingeniería y la producción masiva. El CEO no cree que se requieran avances adicionales en la química. También señaló que la compañía ya tenía más de mil millones de dólares, lo que le proporcionaría unas condiciones considerables para llegar a la producción comercial.

Cuando se le pregunta por qué los periodistas deberían confiar en los resultados de la empresa sin contar con los hallazgos independientes, Singh ha subrayado que comparte la mayor cantidad posible de datos para ser transparentes. Pero añadió que QuantumScape no estaba "en el negocio de la investigación académica".

"Sin querer ofender, realmente no nos importa lo que piensan los periodistas", admite. "Las personas que nos importan son nuestros clientes. Ellos han visto los datos, han realizado las pruebas en sus propios laboratorios, han comprobado cómo funcionaba todo y, como resultado, apuestan fuerte por esta empresa. Volkswagen ya ha ido a por todas".

En otras palabras, la prueba real de si QuantumScape ha resuelto los problemas de forma tan completa como afirma la propia empresa será si el gigante automovilístico alemán logra poner en circulación sus coches equipados con estas baterías para 2025.

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