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Foto: BMW planea invertir 1.700 millones de dólares (1.582 millones de euros) en su nueva fábrica en Carolina del Sur (EE UU) para producir vehículos eléctricos y sus baterías. Créditos: AP/Sean Rayford

Tecnología y Sociedad

Estado sólido o iones de sodio: así es la nueva generación de baterías

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Este año podemos esperar nuevas baterías para vehículos eléctricos basadas en nuevos productos químicos y un impulso de fabricación gracias a la financiación estatal

  • por Casey Crownhart | traducido por Ana Milutinovic
  • 13 Enero, 2023

Este reportaje es parte de la serie What's Next (¿Qué sigue?) de MIT Technology Review, donde se analizan las industrias, tendencias y tecnologías para saber qué esperar este año. 

Todos los años vemos que el mundo funciona cada vez más con baterías. Los vehículos eléctricos superaron el 10% de las ventas mundiales de vehículos en 2022 y están en camino de alcanzar el 30% para finales de esta década.

Las políticas en todo el mundo solo acelerarán este crecimiento: la legislación climática reciente en EE UU está inyectando miles de millones de euros en la fabricación de baterías e incentivos para la compra de vehículos eléctricos. La Unión Europea y varios estados de EE UU aprobaron prohibiciones para los vehículos a gasolina a partir de 2035.

La transición energética requerirá muchas baterías, mejores y más baratas.

La mayoría de los vehículos eléctricos actuales funcionan con baterías de iones de litio, una tecnología de hace décadas que también se usa en ordenadores portátiles y teléfonos móviles. Todos esos años de desarrollo han ayudado a bajar los precios y mejorar el rendimiento, por lo que los vehículos eléctricos de hoy en día se acercan al precio de los coches que funcionan con gasolina y pueden recorrer cientos de kilómetros entre cargas. Las baterías de iones de litio también tienen nuevas aplicaciones, incluido el almacenamiento de electricidad en la red que puede ayudar a compensar la intermitencia de fuentes de energía renovable como la eólica y la solar.

Pero todavía hay mucho margen de mejora. Tanto los laboratorios universitarios como las empresas están buscando formas de mejorar la tecnología, aumentando la capacidad, acelerando el tiempo de carga y reduciendo los costes. El objetivo es conseguir baterías aún más baratas que proporcionen almacenamiento económico para la red y permitan que los vehículos eléctricos recorran distancias mucho mayores con una sola carga.

Al mismo tiempo, las preocupaciones sobre el suministro de materiales clave para las baterías, como el cobalto y el litio, fomentan la búsqueda de alternativas a la química estándar de iones de litio.

En medio de la creciente demanda de vehículos eléctricos y energía renovable y una explosión en el desarrollo de baterías, una cosa es segura: las baterías tendrán un papel clave en la transición a la energía renovable. Esto es lo que se espera en 2023.

Un replanteamiento radical

Algunos enfoques drásticamente diferentes para las baterías de vehículos eléctricos podrían experimentar avances en 2023, aunque es probable que tarden más en tener impacto comercial.

Un avance a tener en cuenta este año son las llamadas baterías de estado sólido. Las baterías de iones de litio y los productos químicos relacionados utilizan un electrolito líquido que transporta la carga, pero las baterías de estado sólido sustituyen este líquido con cerámica u otros materiales sólidos.

Este cambio abre las posibilidades que concentran más energía en un espacio más pequeño, lo que podría mejorar la autonomía de los vehículos eléctricos. Las baterías de estado sólido también podrían realizar la carga más rápido, lo que significa tiempos de carga más cortos. Y debido a que algunos componentes utilizados en electrolitos pueden ser inflamables, los defensores de las baterías de estado sólido afirman que mejoran la seguridad al reducir el riesgo de incendio.

Las baterías de estado sólido pueden utilizar una amplia variedad de productos químicos, pero el candidato principal para la comercialización utiliza el metal de litio. La empresa Quantumscape se centra en esa tecnología y recaudó fondos por valor de cientos de millones de euros antes de salir a bolsa en 2020. La empresa tiene un acuerdo con Volkswagen y podría poner sus baterías en estos coches en 2025.

Pero reinventar completamente las baterías ha resultado difícil, y las baterías de metal de litio generan preocupación por su degradación a lo largo del tiempo y por los desafíos relacionados con su fabricación. Quantumscape anunció a finales de diciembre que había entregado muestras a sus socios automotrices para que las probaran, un hito significativo en el camino hacia la incorporación de baterías de estado sólido en los coches. Otros productores de baterías de estado sólido, como Solid Power, también trabajan para construir y probar sus baterías. Pero, a pesar de que quizá alcancen hitos importantes este año, sus baterías no llegarán a los vehículos en circulación en 2023.

Las baterías de estado sólido no son la única tecnología nueva a tener en cuenta. Las baterías de iones de sodio también suponen una disrupción frente a las de iones de litio, comunes en la actualidad. Estas baterías tienen un diseño similar al anteriores, con un electrolito líquido, pero en vez de depender del litio, utilizan sodio como ingrediente químico principal. Según los informes, el gigante chino de baterías CATL planea comenzar a producirlas en masa en 2023.

Es posible que las baterías de iones de sodio no mejoren el rendimiento, pero podrían reducir los costes porque dependen de materiales más baratos y más disponibles que los químicos necesarios para producir iones de litio. Sin embargo, no está claro si estas baterías podrán satisfacer las necesidades de los vehículos eléctricos relativas a su tiempo de carga, razón por la cual varias empresas que se dedican a esta tecnología, como Natron, con sede en EE UU, apuntan a aplicaciones menos exigentes para empezar, como almacenamiento estacionario o dispositivos de micromovilidad (bicicletas eléctricas y patinetes).

Hoy en día, el mercado de las baterías para al almacenamiento estacionario de red es pequeño: aproximadamente una décima parte del tamaño del mercado de baterías para vehículos eléctricos, según Yayoi Sekine, jefa de almacenamiento de la empresa BloombergNEF, centrada en la innovación energética. Pero la demanda de almacenamiento de electricidad está creciendo a medida que se instala más energía renovable: las principales fuentes de energía renovable, como la eólica y la solar, son variables, por lo que las baterías pueden ayudar a almacenar la energía para cuando se necesite.

Las baterías de iones de litio no son ideales para el almacenamiento estacionario, a pesar de que hoy en día se usan comúnmente para ello. Mientras las baterías de los vehículos eléctricos son cada vez más pequeñas, livianas y rápidas, el objetivo principal del almacenamiento estacionario es reducir los costes. El tamaño y el peso no importan tanto para el almacenamiento en red, lo que significa que es probable que prevalezcan distintas químicas.

Una estrella en ascenso en el almacenamiento estacionario es el hierro, y dos empresas podrían ver progreso este año en EE UU. Form Energy está desarrollando una batería de hierro-aire que utiliza un electrolito a base de agua y almacena energía básicamente mediante la oxidación reversible. La compañía anunció recientemente una planta de fabricación con una inversión de 760 millones de dólares (706 millones de euros) en el estado de Virginia Occidental, cuya construcción está programada para comenzar en 2023. La otra compañía es ESS, que está construyendo un tipo diferente de batería de hierro que emplea una química similar y ha comenzado a fabricarla en su sede en Wilsonville (Oregón).

Cambios dentro del estándar

Las baterías de iones de litio siguen mejorando y volviéndose más baratas, pero los investigadores están ajustando aún más la tecnología para lograr un mayor rendimiento y menores costes.

Parte de la motivación proviene de la volatilidad de los precios de los materiales de las baterías, lo que podría llevar a las empresas a cambiar los productos químicos empleados. “Es un juego de costes”, explica Sekine.

Los cátodos suelen ser una de las partes más caras de una batería, y un tipo de cátodo llamado NMC (níquel, manganeso y cobalto) es la variedad dominante en las baterías para vehículos eléctricas en la actualidad. Pero esos tres elementos, junto con el litio, son caros, por lo que eliminar algunos o todos podría ayudar a reducir los costes.

Este año podría ser decisivo para una alternativa: el fosfato de hierro y litio (LFP, por sus siglas en inglés). Se trata de un material catódico de bajo coste que a veces se usa para las baterías de iones de litio.

Las recientes mejoras en la química y la fabricación de LFP han ayudado a impulsar el rendimiento de estas baterías, y las empresas se animan a adoptar esta tecnología: la participación de mercado de LFP está creciendo rápidamente, de aproximadamente el 10% del mercado mundial de vehículos eléctricos en 2018 a aproximadamente el 40% en 2022. Tesla ya usa las baterías LFP en algunos vehículos, y fabricantes como Ford y Volkswagen ya han anunciado que planean comenzar a ofrecer algunos modelos basados en este tipo de baterías.

Aunque la investigación de baterías tiende a centrarse en la química de los cátodos, los ánodos también podrían producir un cambio en el panorama.

La mayoría de los ánodos de las baterías de iones de litio actuales, independientemente de la composición de sus cátodos, utilizan grafito para contener los iones de litio. Pero algunas alternativas como el silicio podrían ayudar a aumentar la densidad de energía y acelerar la carga.

Los ánodos de silicio han sido objeto de investigación durante años, pero históricamente no han tenido una vida útil lo suficientemente larga como para mantenerse en los productos. Sin embargo, actualmente las empresas están empezando a ampliar la producción de estos materiales.

En 2021, la start-up Sila comenzó a producir ánodos de silicio para baterías en un dispositivo wearable de fitness. La compañía recibió recientemente una subvención de 100 millones de dólares (93 millones de euros) del Departamento de Energía de EE UU como ayuda para construir una planta de fabricación en Moses Lake, en el estado de Washington. La fábrica servirá a la colaboración de Sila con Mercedes-Benz y se espera que produzca materiales para sus baterías a partir de 2025.

Otras start-ups están trabajando para mezclar silicio y grafito para obtener ánodos. OneD Battery Sciences, que se ha asociado con GM, y Sionic Energy podrían dar más pasos hacia la comercialización este año.

Políticas que dan forma a los productos

La Ley de Reducción de la Inflación (IRA, por sus siglas en inglés de Inflation Reduction Act), aprobada a finales de 2022, reserva casi 370.000 millones de dólares (344.189 millones de euros) en fondos para el clima y la energía limpia e incluye miles de millones de euros para la fabricación de baterías y vehículos eléctricos. “Todo el mundo tiene en mente la IRA”, asegura Yet-Ming Chiang, investigador de materiales en el MIT y fundador de varias compañías de baterías.

La IRA otorgará préstamos y subvenciones a los fabricantes de baterías en EE UU, aumentando la capacidad. Además, los créditos fiscales para vehículos eléctricos que aparecen en la ley incentivan a los fabricantes de coches a obtener materiales para baterías en EE UU o de sus socios de libre comercio y fabricar baterías en América del Norte. Debido tanto a la financiación de la IRA como a los créditos fiscales para vehículos eléctricos, los fabricantes de coches seguirán anunciando nuevas capacidades de fabricación en EE UU y encontrando nuevas formas de obtener los materiales.

Todo eso significa que habrá cada vez más demanda de los ingredientes clave de las baterías de iones de litio, incluidos el litio, el cobalto y el níquel. Un resultado posible de los incentivos de IRA es un aumento en el interés ya creciente en torno al reciclaje de baterías. Aunque no habrá suficientes vehículos eléctricos en la carretera pronto para satisfacer la demanda de algunos materiales cruciales, el reciclaje empieza a crear mucho interés.

CATL y otras empresas chinas han liderado en el reciclaje de baterías, pero este año la industria podría experimentar un crecimiento significativo en otros mercados importantes de vehículos eléctricos como América del Norte y Europa. Redwood Materials, con sede en Nevada y Li-Cycle, que tiene su sede en Toronto, están construyendo instalaciones y trabajando para separar y purificar los metales clave de las baterías, como el litio y el níquel, para reutilizarlos en las baterías.

Está previsto que Li-Cycle ponga en marcha su principal instalación de reciclaje en 2023. Redwood Materials comenzó a producir su primer producto, una lámina de cobre, desde su instalación en las afueras de Reno, Nevada, y recientemente anunció sus planes para construir su segunda instalación a partir de este año en Charleston, Carolina del Sur (EE UU).

Dada la avalancha de dinero que trae la IRA y otras iniciativas similares en otros países y cómo ésta alimentará la demanda de vehículos eléctricos y sus baterías, 2023 será un año a tener en cuenta.

Tecnología y Sociedad

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