Las baterías de tipo Li-Ion dominan el almacenamiento de energía en dispositivos electrónicos, vehículos y suministro eléctrico. Sin embargo, la aparición de las baterías de estado sólido promete revolucionar el sector, ofreciendo mayor densidad energética, eficiencia y seguridad, y menor impacto ambiental. Su desarrollo plantea nuevas oportunidades para vehículos eléctricos e industrias, aunque también enfrenta retos técnicos y de fabricación que deberán superarse para consolidar su adopción masiva
El dominio de las baterías de tipo Li-Ion (LIB) está presente en todos los ámbitos en que se requiere almacenamiento de energía: dispositivos electrónicos, vehículos, suministro a la red eléctrica e incluso proyectos aeroespaciales como el Telescopio Espacial James Webb (JWST). Esta tecnología podría encontrar competencia en el mercado con la aparición de otros modelos de batería. Anteriormente, se analizaron las baterías de níquel-hidrógeno como principales competidoras para proyectos a gran escala. En cambio, estas no son óptimas para proyectos más pequeños o para vehículos eléctricos. Para suplir la falta de competencia en estos sectores aparecen las baterías de estado sólido (SSB). Estas cuentan con una mayor densidad de energía que las LIB, necesitando menos volumen para almacenar la misma cantidad de energía, alargando la vida útil de las baterías y proporcionando mejores condiciones de estabilidad y seguridad.
Mayor densidad de energía
Las baterías de estado sólido sustituyen el electrolito líquido que tienen las LIB entre el ánodo y el cátodo por uno sólido, normalmente uno de cerámica. La ausencia del líquido inflamable reduce los potenciales problemas de seguridad como incendios o escapes, y las hace menos sensibles a temperaturas extremas. De hecho, son especialmente eficientes a bajas temperaturas por su capacidad para mantener la conductividad iónica a temperaturas bajo cero.
Su densidad de energía en modelos diseñados para vehículos eléctricos está entre 250‑800 Wh/kg en comparación a los 160‑250 Wh/kg de las baterías Li-Ion. Además, al ser más compactas, ocupan un 33% menos de espacio y pesan un 40% menos (en modelos de unos 450 Wh/kg). Su mayor conductividad hace que su proceso de carga sea más rápido y genere menos calor. Un batería de tipo Li-Ion de carga rápida requiere unos 30‑60 minutos para cargarse entre el 80 y el 100%, frente a los 10‑20 minutos que necesita una SSB.
Su mayor densidad energética, conductividad y resistencia a la formación de dendritas hace que su vida útil sea mayor y más eficiente. Las LIB, tras unos 8000 ciclos de vida útil, tienen una eficiencia menor al 60%; las SSB, en condiciones óptimas, podrían mantener un 90% de su eficiencia tras 30 000 ciclos (30 años). Estas capacidades aumentan también la autonomía de los vehículos. Los fabricantes estiman que se podrán recorrer más de 1000 km sin recargar. La autodescarga también mejora, teniendo una tasa de un 2-3% anual frente al 2-10% mensual de las LIB. El conjunto de estas cualidades las hace útiles para el almacenamiento a largo plazo.
Reducción las emisiones de CO2 y otros contaminantes
Las emisiones provenientes de los vehículos por carretera que usan combustibles fósiles contribuyen al 15% del total de las emisiones de carbono globales. Para que los gobiernos puedan cumplir los objetivos de sostenibilidad propuestos, es necesario un impulso en todos los ámbitos posibles. Los efectos del cambio climático necesitan ser atajados a un ritmo mayor del que se están tratando, puesto que ya se ha superado la barrera de los 1,5 °C con respecto a los valores preindustriales. Una de las medidas propuestas para mitigar estos efectos es que del total de vehículos vendidos no haya más de un 10% con motor de combustión a partir de 2035 y asegurarse de que la fabricación y las emisiones de estos tengan el impacto mínimo (acuerdo al que no todos los países se han sumado).
La fabricación de baterías es un proceso contaminante. La fabricación de una batería de estado sólido requiere un menor número de materiales que una LIB, reduciendo el impacto climático de la batería hasta un 39% en comparación con su competidor. El uso de baterías más duraderas, eficientes y compactas reduce el impacto ambiental y la huella de carbono al equivaler a reemplazar varias baterías de tipo Li‑Ion en volumen y tiempo de uso.
Por último, dado que los vehículos están dejando de emitir gases contaminantes, se ha puesto el foco en otra fuente de contaminación derivada de su uso: la contaminación por desgaste de los neumáticos. Su erosión por un uso prolongado y por la fricción que se genera con la carretera libera micro plásticos y sustancias tóxicas (zinc, metales pesados o 6PPD‑quinona) al ambiente. La contribución de estas emisiones se estima que equivale a una cuarta parte del total de los micro plásticos que se generan. Estas partículas llegan a ríos, océanos y a la tierra, contaminando los ecosistemas y la fauna y flora que los habitan. Esto acaba repercutiendo también en las personas, tanto por inhalación directa como por consumo de productos animales contaminados. Para reducir estas emisiones, aparte de conducir de una manera menos agresiva y mantener en buen estado los neumáticos, es importante reducir el peso de los vehículos. Dado que la batería es el componente más pesado del vehículo eléctrico (haciendo que el vehículo pese más que si fuera de combustión), una disminución tan significativa de su masa como el que pueden aportar las SSB ayudaría a luchar significativamente contra este problema de contaminación.
Retos que afrontan las SSB
En cada proceso de carga y descarga, la batería se expande y se contrae, sometiendo a los componentes que la forman a un estrés mecánico que puede causar delaminación, degradación estructural y pulverización de los materiales. A causa de esta deformación, el electrolito se puede agrietar o romper, incrementando la resistencia eléctrica del material y reduciendo su eficiencia. Dependiendo del material utilizado para la batería estas deformaciones son más o menos severas.
El uso de un electrolito sólido hace que sea más difícil lograr un buen contacto entre las superficies de los componentes de la batería (impedancia interfacial) que utilizando un electrolito líquido, el cual puede adaptarse a las superficies de contacto. Para compensar este efecto se utilizan aditivos de carbono o se aplica presión. Mantener dicho contacto durante la operación de la batería resulta complejo debido a los cambios de volumen durante los procesos de carga y descarga, especialmente en los materiales de mayor capacidad, que son también los que experimentan mayores variaciones de volumen.
El proceso de fabricación de la SSB es más costoso y complejo que el de la LIB. En primer lugar, porque el material sólido que se usa como electrolito es más caro de producir que un electrolito líquido. A eso se le suma la complejidad de escalar el modelo diseñado en el laboratorio a la producción a gran escala. La manufactura de las SSB es diferente que el de las LIB y tiene unos requerimientos que hacen necesario crear los procesos de la cadena de montaje sin un precedente ni un estándar definidos. La producción está teniendo problemas para cumplir los estándares de calidad cuando se lleva a gran escala, en parte debido a la gran sensibilidad de las SSB a la humedad. Si se introduce en la batería causa pérdida de conductividad, aparición de grietas, corrosión y cortocircuitos. La acumulación de estos factores hace los procesos de fabricación muy exigentes, llegando a ser el triple de caros que los de las LIB.
El sector de la automoción al frente del desarrollo de las SSB
El mundo se mueve hacia la electrificación y la descarbonización, proceso en el cual el sector de la automoción no se queda al margen. No solo es necesario transformar los procesos de la industria y el transporte hacia alternativas que no generen gases de efecto invernadero, también hay que hacerlo de la manera más beneficiosa para todos los componentes involucrados, incluido el medio ambiente. El uso de baterías es el componente clave en esta transición energética para explotar al máximo su potencial. Muchos países ya están plenamente implicados en este proceso, como España con el plan Auto 2030, que promueve impulsar la transición hacia el vehículo electrificado, fortalecer la industria automovilística española y asegurar una movilidad sostenible, accesible y alineada con los compromisos de reducción de emisiones. La puesta en marcha de estas medidas es de efecto inmediato, ya que este mismo año se han duplicado los puntos de recarga para vehículos eléctricos en la península.
Las SSB pueden llegar a convertirse en un competidor sólido en el mercado del almacenamiento de energía frente a las LIB. Puesto que tienen más densidad de energía, menos volumen y peso y son más seguras se presentan como su sucesor lógico. Los principales problemas que presentan son su fragilidad, un elevado coste de producción y dificultades para fabricarse a gran escala. Cabe recordar que las SSB están todavía en vías de investigación y desarrollo, por lo que estos problemas se irán solucionando progresivamente.
Para atajar los problemas mecánicos, se está experimentando con diferentes materiales para ánodo, cátodo y electrolito, como el silicio o diferentes polímeros. También se están contemplando otras opciones, como las baterías de estado semisólido, que tiene menos de un 10% de electrolito líquido. Esta solución sirve para compensar los problemas de cambio de volumen y de contacto entre las superficies de los componentes, pero, a cambio, disminuyen la densidad energética de la batería y hacen todavía más complejo el proceso de fabricación de la batería.
Los costes y procesos de fabricación también se irán optimizando y abaratando con el tiempo. Muchas de las principales compañías de automóviles, además de nuevas marcas emergentes principalmente localizadas en China, están invirtiendo parte de su capital en la investigación de baterías de estado sólido. Algunas ya han anunciado la aparición de sus primeros modelos con esta tecnología a partir de 2027 o 2028. Esta gran inversión y competencia harán que el sector evolucione a un ritmo acelerado, y las mejores prestaciones de los nuevos vehículos los harán competitivos con los modelos de combustión actuales, impulsando la electrificación del sector.
AleaSoft Energy Forecasting como referente en la evolución del mercado del almacenamiento de energía
Las cualidades de las SSB no solo las hacen deseables para el sector del vehículo eléctrico, aunque dada la deriva de las inversiones actuales, es en este sector donde primero se introducirán en el mercado. Posteriormente se prevé su expansión a otros sectores, no solo del transporte, los drones o los dispositivos electrónicos, sino también en los sectores de la industria, los sistemas de almacenamiento stand-alone, los data centers o la hibridación con renovables.
La división AleaStorage analiza la viabilidad de proyectos de almacenamiento con baterías, tanto en stand-alone como en hibridación con plantas renovables. Su combinación de un equipo integrado por expertos en el sector de la investigación y de la energía, unido a un modelo híbrido de previsiones propio que utiliza Inteligencia Artificial para generar simulaciones de miles de posibles escenarios, es capaz de adaptarse y anticiparse a la evolución del mercado para generar previsiones robustas y fiables. AleaSoft Energy Forecasting es el aliado clave para impulsar la transición energética de la mano de alguien experto, comprometido con el proceso y con las mejores herramientas para llevarlo a cabo.
