Cómo se comparan las baterías de estado sólido para vehículos eléctricos con las de litio

Las empresas automotrices están luchando por desarrollar baterías de estado sólido para avanzar en la carrera de los vehículos eléctricos. Comparémoslo con las baterías de iones de litio.

Coches eléctricos han pasado de ser un nicho de mercado a convertirse en algo común. En 2020, los vehículos eléctricos (EV) representaron menos del 5% de las ventas mundiales de turismos. Pero en sólo dos años, esta cuota de mercado aproximadamente se triplicó (14% en 2022). Los fabricantes de automóviles ahora se apresuran a desarrollar su propia oferta de modelos electrificados para hacerse con una parte del creciente pastel de vehículos eléctricos.

Aunque algunos fabricantes de automóviles todavía están invirtiendo en vehículos eléctricos de pila de combustible de hidrógeno (HFCEV), las cifras de ventas nos dicen que los vehículos eléctricos de batería (BEV) constituyen una gran mayoría de los vehículos eléctricos que se venden en la actualidad. De aproximadamente 10,5 millones de vehículos eléctricos vendidos en el mundo el pasado 2022, los BEV puros representaron el 73%, mientras que los vehículos eléctricos híbridos enchufables (PHEV) representaron casi el 27% restante. Es posible que las pilas de combustible sigan creciendo en aplicaciones industriales y comerciales en el futuro, pero las baterías probablemente serán la solución de almacenamiento de energía dominante para la industria de los vehículos eléctricos durante el resto de esta década.

Para ello, las empresas automovilísticas están llevando a cabo amplios esfuerzos de investigación y desarrollo internos y en colaboración para mejorar la tecnología de las baterías de los vehículos eléctricos. Según comunicados de prensa recientes sobre el sector automovilístico, parece que las baterías de estado sólido pueden ser el próximo gran avance en la electrificación de vehículos.

Entonces, ¿qué es una batería de estado sólido y en qué se diferencia de la batería de iones de litio convencional que utilizan los vehículos eléctricos en la actualidad? Continúe leyendo y descubra cómo las baterías de estado sólido pueden cambiar la industria de los vehículos eléctricos.

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Una batería de estado sólido es un dispositivo que almacena energía utilizando un material electrolítico sólido en lugar del electrolito líquido tradicional. El electrolito actúa como medio de transporte de iones de litio para que puedan moverse entre un electrodo negativo (ánodo) y uno positivo (cátodo). Dependiendo de la dirección del movimiento de los iones, la energía se libera (es decir, durante el uso de la batería) o se almacena (es decir, durante la carga de la batería). Además de ser un medio de transporte, el electrolito sólido también sirve como separador físico entre los dos electrodos.

La mayoría de las baterías de iones de litio convencionales de los vehículos eléctricos actuales utilizan soluciones de electrolitos líquidos con sal de litio.

Las baterías de estado sólido tienen muchas ventajas en comparación con las actuales baterías de iones de litio con electrolito líquido.

Las siguientes secciones discutirán estas ventajas con mayor detalle.

Las baterías convencionales de iones de litio para vehículos eléctricos actuales pueden almacenar de 100 a 265 vatios-hora por kilogramo (Wh/kg). Según la Administración Nacional de la Aeronáutica y del Espacio (NASA), las baterías de estado sólido son capaces de almacenar hasta 500 Wh/kg. Según estas cifras, podemos ver que las baterías de estado sólido pueden almacenar de 2 a 5 veces más energía con el mismo peso de batería. Las baterías de estado sólido más livianas y densas darán lugar a muchas mejoras operativas en diferentes industrias y aplicaciones, pero para nosotros, los compradores de automóviles, quizás el beneficio más importante sea una mayor autonomía de conducción eléctrica.

La ansiedad por la autonomía es uno de los principales obstáculos para la adopción generalizada de vehículos eléctricos. Después de todo, nadie quiere que sus vehículos eléctricos se queden sin carga en medio de la nada, sin estaciones de carga a la vista. A partir de 2023, los vehículos eléctricos en EE. UU. tendrán una autonomía promedio de 291 millas. Manteniendo todos los demás factores constantes, las baterías de estado sólido pueden, en teoría, aumentar el alcance promedio de conducción de los vehículos eléctricos a 600 millas. Eso es casi 100 millas más que el rango de manejo de un Toyota Camry 2023 de 2.5 litros y solo gasolina (505.6 millas). Si 600 millas aún no son impresionantes, Toyota anunció que podría ofrecer una batería de estado sólido de 900 millas en algún momento después de 2028.

Los futuros compradores de vehículos eléctricos pueden esperar tres beneficios más importantes que se derivan de la mayor densidad de energía de las baterías de estado sólido: espacio, manejo y utilidad.

Según un artículo de 2022 del Science Direct Journal, se supone que las baterías de estado sólido son más seguras que las convencionales de iones de litio.

Debido al material de electrolito sólido entre los electrodos, las baterías de estado sólido serán menos propensas a fugas tóxicas e incendios de baterías de vehículos eléctricos. Los incendios de vehículos eléctricos causados ​​por la reacción química térmica desbocada de las baterías de iones de litio convencionales son muy difíciles de apagar. Se puede necesitar 20 veces más agua para apagar un incendio de un vehículo eléctrico que uno de un vehículo con motor de combustión interna (ICE). Los incendios de vehículos eléctricos pueden arder a temperaturas muy altas y muy violentas, particularmente porque el gas hidrógeno producido por la reacción del litio con el agua alimentará aún más el fuego.

Además de tener una mayor densidad de energía, las baterías de estado sólido también se cargan más rápido que las baterías de iones de litio convencionales. Estos son los factores que contribuyen al tiempo de carga más rápido:

Actualmente, los vehículos eléctricos con baterías de iones de litio convencionales necesitan de 30 a 40 minutos para alcanzar un estado de carga (SOC) del 10% al 80% utilizando los cargadores de CC de nivel 3 más rápidos. Por el contrario, Toyota afirma que sus baterías de estado sólido sólo necesitan 10 minutos para cargarse del 10% al 80% de SOC.

Muchos propietarios actuales de vehículos eléctricos ya se han quejado del bajo rendimiento de los vehículos eléctricos en climas fríos, con especial énfasis en autonomías de conducción más cortas, carga más lenta y par motor más débil. Estos problemas son de esperarse porque las baterías de iones de litio para vehículos eléctricos tienen un rango de temperatura de funcionamiento entre 50 y 86 grados Fahrenheit (10 a 30 grados Celsius). Muchos vehículos eléctricos tendrán dificultades durante los inviernos más fríos de América del Norte. Además, muchos de los vehículos eléctricos actuales no funcionarán de manera óptima en las zonas climáticas más cálidas.

Por el contrario, los estudios científicos publicados han demostrado que las baterías de estado sólido pueden funcionar eficientemente entre -40 y 338 grados Fahrenheit, o entre -40 y 170 grados Celsius.

Quizás se pregunte: si las baterías de estado sólido son tan buenas, ¿por qué las empresas de automóviles no las utilizan ahora? Aquí hay algunas razones:

Las baterías de estado sólido todavía son relativamente nuevas y todavía no existe un proceso estandarizado ni un conjunto de materiales que puedan dar paso a la producción en masa. Así, las baterías de estado sólido tienen las siguientes desventajas:

Algunas empresas están intentando desarrollar electrolitos sólidos con capas cerámicas para mejorar la interfaz entre el electrolito y los electrodos. Sin embargo, los electrolitos cerámicos son naturalmente frágiles, lo que hace que la producción de capas finas de electrolitos cerámicos sea un gran desafío.

En junio de 2023, ningún fabricante de automóviles había lanzado un vehículo eléctrico de producción alimentado por baterías de estado sólido. Sin embargo, el pasado 2020, Toyota presentó un prototipo de vehículo eléctrico LQ Concept impulsado por baterías de estado sólido. Sin embargo, varias marcas de automóviles han invertido significativamente en investigación y desarrollo de baterías de estado sólido.

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La ley federal de EE. UU. exige que las baterías de vehículos eléctricos estén cubiertas por una garantía por un mínimo de 8 años/100 000 millas. Sin embargo, se espera que las baterías convencionales de iones de litio para vehículos eléctricos actuales duren mucho más. Por ejemplo, la batería del Tesla Model 3 está diseñada para durar entre 10 y 20 años, o entre 300.000 y 500.000 millas.

A partir de 2023, algunas empresas de investigación y desarrollo de baterías han afirmado que las baterías de estado sólido pueden durar 400.000 millas. Además, las baterías de estado sólido probablemente se degradarán notablemente sólo después de 10.000 ciclos de carga y descarga, casi cinco veces más que los 2.000 a 3.000 ciclos de las baterías de iones de litio convencionales.

Ron ha trabajado en los departamentos de estrategia y marketing de algunas marcas de automóviles. Cuando no escribe sobre automóviles, le gusta analizar datos de la industria automotriz para compartirlos con otros entusiastas... o con sus perros.