En la actualidad no han nada mejor que la batería de iones de litio para alimentar a los coches eléctricos y a los teléfonos móviles o "smartphones". Muchos de los más de 3 millones de vehículos eléctricos del mundo funcionan con baterías de iones de litio, pero a medida que la industria automotriz se dirige hacia un futuro eléctrico, se requiere una batería más avanzada y poderosa.
"El litio está llegando a un límite. Si realmente deseas aumentar la densidad de energía, tienes que optar por un paradigma completamente diferente", dice Yifei Mo, profesor de ciencias de los materiales e ingeniería de la Universidad de Maryland, a CNBC. Una mayor densidad de energía significa baterías más baratas y ligeras con más autonomía.
Afortunadamente, hay jóvenes startups innovadoras que intentan construir mejores baterías, con costes más bajos, densidades de energía mejoradas y un mejor rendimiento para productos industriales y vehículos eléctricos. Estas baterías se cargarían más rápidamente y ofrecerían una mayor autonomía.
"Nos tomó ocho años y probablemente 35.000 iteraciones de nuestra síntesis de material solo para tener algo que esté listo comercialmente", comenta Gene Berdichevsky, CEO de Sila Nanotechnologies. Sila es solo una de las varias startups fabricantes de baterías que recientemente recibió una importante financiación para continuar mejorando su tecnología. El año pasado, la compañía con sede en Alameda, California, recibió 70 millones de dólares (62 millones de euros) en financiamiento por parte de varios inversionistas, incluyendo Siemens, para construir su primera línea de producción comercial para baterías de ánodo de silicio. Eso es exactamente una década después de haber sido cofundada por Berdichevsky, ingeniero mecánico y energético y ex miembro de Tesla, quien dirigió el desarrollo del sistema de batería en el Tesla Roadster (el coche que SpaceX, también fundada por Elon Musk, puso en órbita en 2018).
Las nuevas baterías llegarán primero a los móviles
Las variaciones emergentes de la batería de iones de litio actual han tomado cerca de 10 años de investigación. Actualmente las startups se están preparando para el sector comercial, un despliegue que tomará varios años para ejecutarlo de forma masiva. "La cantidad de material requerido para un coche es el equivalente a 10.000 móviles o 100.000 relojes inteligentes", acota Berdichevsky. "Primero comenzaremos con dispositivos móviles y en los próximos cinco años trabajaremos con los socios automotrices". Uno de los socios actuales de Sila es BMW.
Las baterías de iones de litio actuales están limitadas en sus partes materiales y densidad energética. La nueva tecnología de baterías busca mejorar la seguridad y la eficiencia energética de las baterías de iones de litio, eliminando el riesgo de incendio si la batería se sobrecalienta o se daña.
Cada batería de iones de litio está compuesta por cuatro partes esenciales: el ánodo y el cátodo, los electrodos que sujetan a cada celda de iones de litio, un electrolito líquido y un separador. Las corrientes positivas y negativas se crean a medida que el electrolito transporta iones de litio a través del separador hacia y desde el ánodo y el cátodo. Este es el proceso que genera la carga que se almacena en la batería.
Si los productos químicos que forman el ánodo y el cátodo, respectivamente, el grafito y algún tipo de óxido metálico, se calientan demasiado, puede romper el separador físico, lo que deja expuesto el electrolito altamente inflamable (recordemos cuando varios móviles Samsung Galaxy Note 7 explotaron, poniendo en riesgo la seguridad de las personas). La densidad de energía máxima de iones de litio en la actualidad es de aproximadamente 260 Wh/kg. En comparación, la mayoría de los coches eléctricos actuales tienen entre 220 y 250 Wh/kg.
Batería en estado sólido
La batería en estado sólido es una de las nuevas tecnologías. Reemplaza no solo el ánodo de grafito con uno hecho de metal de litio, sino también el electrolito líquido y el separador con una pieza sólida, generalmente de cerámica, vidrio o polímero ignífugo. Este es el enfoque de Solid Power, fabricante de baterías en estado sólido con sede en Colorado que recibió 20 millones de dólares (18 millones de euros) en financiamiento en 2018. Según los ejecutivos de la compañía, la batería que están desarrollando tiene, al menos, un 50% más de densidad energética.
La firma QuantumScape, creada por la Universidad de Stanford, también está desarrollando una batería en estado sólido en asociación con Volkswagen. El año pasado, Volkswagen aumentó su participación con una inversión de 100 millones de dólares (88 millones de euros). De acuerdo al comunicado de prensa, la batería de QuantumScape permitiría que el Volkswagen E-Golf alcance 750 km (su autonomía actual es de 300 km) con una sola carga, comparable a los rangos alcanzados por los vehículos convencionales a combustible. Según Volkswagen, la batería de QuantumScape debería ofrecer un proceso de carga más rápido y ser mucho más liviana que las baterías de iones de litio actuales.
Sin embargo, es probable que las baterías en estado sólido no estén disponibles en masa hasta la próxima década, como dijo el año pasado un vicepresidente de Nissan. Incluso el comunicado de QuantumScape establece un objetivo de producción comercial para 2025.
"Es una tecnología emergente en las etapas más tempranas de la comercialización", asegura Dean Frankel, jefe de desarrollo de negocios de Solid Power. Mientras que algunas startups trabajan para perfeccionar la batería en estado sólido, otras como Sila Nanotechnologies esperan aprovechar los procesos actuales de fabricación de iones de litio para llevar las baterías al mercado rápidamente. En lugar de crear una batería en estado sólido, Sila simplemente reemplaza el ánodo de grafito con uno compuesto de silicio, un material que absorbe los iones de litio más rápido que el grafito.
Además, la mayoría de las baterías de iones de litio con ánodos de grafito tienen una tasa de carga inferior al 1%. Las startups que desarrollan nuevas celdas con ánodos de silicio dicen que las tasas de carga de sus baterías son mucho mejores, un diferenciador clave para permitir su uso a futuro en un vehículo eléctrico, ya que la mayoría de las personas no quieren esperar más de una hora para que se cargue el coche. "Podemos mantener una tasa de carga 10 veces más rápida que una celda de grafito convencional", afirma Robert A. Rango, CEO de Enevate.
La compañía californiana, que trabaja en la creación de una próxima generación de baterías de iones de litio con ánodos de silicio, está dotada con 111 millones de dólares (98 millones de euros) en fondos, que incluye una inversión realizada el año pasado por la compañía de baterías coreana LG Chem. Rango dice que Enevate, cuyas baterías han estado en funcionamiento durante 10 años, está aproximadamente a un año y medio de los primeros despliegues comerciales de su tecnología, probablemente en bicicletas eléctricas y scooters.
Sin embargo, las baterías de ánodo de silicona tienen un inconveniente potencial: el material de silicona se hincha, lo que significa que cada carga hace que la batería se deteriore. Es un problema que tanto Berdichevsky como Rango aseguran que sus respectivas compañías han resuelto.
"El silicio se expande, y ese ha sido uno de los desafíos de la industria", describe Rango. "En nuestras celdas hemos podido contener la expansión. Nuestras celdas tienen especificaciones que cumplen con los requisitos de los vehículos eléctricos". ¿Cuáles son esos requisitos? Que una batería pueda cargarse al 80% después de que se haya cargado y descargado 1.000 veces. Los largos plazos de trabajo de estas startups reflejan lo compleja que es la tecnología de la batería, por suerte, hay mentes brillantes trabajando en ello y mucho dinero invertido.
