La transición de la economía mundial hacia la electrificación generalizada ha aumentado la demanda de baterías más duraderas y de carga más rápida en todos los sectores, incluido el transporte, la electrónica de consumo, los dispositivos médicos y el almacenamiento de energía residencial. Si bien se comprenden bien los beneficios de esta transición, la realidad es que la innovación en baterías no ha seguido el ritmo de las ambiciones de la empresa.

Con informes que predicen un 40% de probabilidad de que la temperatura global aumente en los próximos cinco años más allá del límite de 1,5 grados centígrados establecido en el acuerdo climático de París, está claro que hay poco tiempo que perder cuando se trata de crear la próxima generación. baterías, que pueden tardar fácilmente otros 10 años en comercializarse por completo.

Para responder a las crecientes presiones por la electrificación, un enfoque completamente nuevo para la construcción de baterías es la única forma de desarrollar baterías recargables lo suficientemente rápido como para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero a nivel mundial y evitar el peor escenario de una crisis climática.

Los desafíos de la innovación en baterías

Durante las últimas décadas, los expertos en baterías, los fabricantes de automóviles, los proveedores de primer nivel, los inversores y otros que buscan electrificar han gastado miles de millones de dólares en todo el mundo para crear baterías de próxima generación con un enfoque principal en la química de las baterías. Sin embargo, la industria todavía está lidiando con dos importantes desafíos técnicos fundamentales que están frenando la proliferación de baterías:

  1. Compromiso de energía / potencia: Todas las baterías fabricadas en la actualidad enfrentan una compensación de energía y potencia. Las baterías pueden almacenar más energía o entonces pueden cargar / descargar más rápido. En términos de vehículos eléctricos, esto significa que ninguna batería puede proporcionar una carga rápida y de largo alcance.
  2. Desajuste ánodo-cátodo: Las tecnologías de baterías más prometedoras de la actualidad maximizan la densidad de energía de los ánodos, el electrodo negativo del par de electrodos que componen cada celda de la batería de iones de litio. Sin embargo, los ánodos ya tienen una densidad de energía más alta que su contraparte positiva, el cátodo. Es posible que la densidad de energía del cátodo deba coincidir con la del ánodo para lograr la mayor capacidad de almacenamiento de energía de un cierto tamaño de batería. Sin avances en el aumento de la densidad de energía del cátodo, muchas de las tecnologías de baterías más interesantes de la actualidad no podrán desarrollar todo su potencial. En su forma actual, la batería de iones de litio más utilizada no puede satisfacer las necesidades de las grandes aplicaciones de un futuro completamente eléctrico. Muchas empresas han intentado satisfacer estas demandas con nuevas químicas de baterías para optimizar la alta relación potencia / densidad de energía con diversos grados de éxito, pero muy pocas se acercan a alcanzar las métricas de rendimiento necesarias para ello, escala masiva y marketing.

En última instancia, las tecnologías ganadoras en la carrera por la electrificación total serán aquellas que tengan el impacto más significativo en el rendimiento, la reducción de costos y la compatibilidad con la infraestructura de fabricación existente.

¿Son las baterías de estado sólido el santo grial?

Los investigadores de baterías han defendido la batería de estado sólido como el santo grial de la tecnología de baterías debido a su capacidad para lograr una alta densidad de energía y una mayor seguridad. Sin embargo, hasta hace poco, la tecnología fracasaba en la práctica.

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Las baterías de estado sólido tienen una densidad de energía significativamente mayor y son potencialmente más seguras porque no usan electrolitos líquidos inflamables. Sin embargo, la tecnología aún es incipiente y aún tiene un largo camino por recorrer antes de que se comercialice. El proceso de fabricación de baterías de semiconductores debe mejorarse para reducir los costos, especialmente para una industria automotriz que tiene como objetivo lograr reducciones de costos agresivas de hasta $ 50 / kWh en los próximos años.

El otro gran desafío en la implementación de la tecnología de semiconductores es limitar la densidad de energía total que se puede almacenar en cátodos por unidad de volumen. La solución obvia a este dilema sería tener baterías con cátodos más gruesos. Sin embargo, un cátodo más grueso reduciría la estabilidad mecánica y térmica de la batería. Esta inestabilidad conduce a la delaminación (un modo de falla en el que un material se fractura en capas), grietas y separación, todo lo cual causa una falla prematura de la batería. Además, los cátodos más gruesos limitan la difusión y disminuyen la potencia. Como resultado, existe un límite práctico para el grosor de los cátodos, que restringe la potencia de los ánodos.

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Nuevos enfoques de materiales con silicio

En la mayoría de los casos, las empresas que desarrollan baterías de silicio mezclan hasta un 30% de silicio con grafito para aumentar la densidad de energía. Las baterías fabricadas por Sila Nanotechnologies son un ejemplo ilustrativo del uso de una mezcla de silicio para aumentar la densidad de energía. Otro enfoque es utilizar ánodos de silicio 100% puro, que están limitados por electrodos muy delgados y altos costos de producción, para generar una densidad de energía aún mayor, como el enfoque Amprius.

Si bien el silicio proporciona una densidad de energía considerablemente más alta, existe un inconveniente importante que ha limitado su adopción hasta ahora: el material sufre una expansión y contracción de volumen durante la carga y descarga, lo que limita la vida útil y el rendimiento de la batería. Esto conduce a problemas de degradación que los fabricantes deben abordar antes de la adopción comercial. A pesar de estos desafíos, algunas baterías basadas en silicio ya se están implementando comercialmente, particularmente en el sector automotriz, donde Tesla es líder en la adopción de silicio para vehículos eléctricos.

El imperativo de la electrificación requiere un nuevo enfoque en el diseño de la batería

Los avances en la arquitectura de la batería y el diseño de las celdas son muy prometedores para desbloquear mejoras con las químicas de las baterías existentes y emergentes.

Quizás lo más notable desde la perspectiva del público en general es la celda de batería ‘caja de galletas’ de Tesla que la compañía presentó en su Día de la Batería 2020. Todavía usa química de iones de litio, pero la compañía ha eliminado las pestañas de la celda que sirven como positivas y negativas. puntos de conexión entre el ánodo y el cátodo y la caja de la batería, y en su lugar utiliza un diseño de tejas dentro de la celda. Este cambio de diseño ayuda a reducir los costos de fabricación al tiempo que aumenta el tiempo de ejecución y elimina muchas de las barreras térmicas que puede encontrar una celda cuando se carga rápidamente con electricidad de CC.

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Pasar de una estructura de electrodo 2D tradicional a una estructura 3D es otro enfoque que está ganando terreno en la industria. La estructura 3D da alta energía. y Rendimiento de alta potencia tanto en el ánodo como en el cátodo para cada química de la batería.

Aunque todavía se encuentran en la fase de I + D y pruebas, los electrodos 3D han logrado el doble de la capacidad accesible, un 50% menos de tiempo de carga y un 150% más de vida útil para productos de alto rendimiento a precios asequibles. Por lo tanto, para avanzar en las capacidades de las baterías para desbloquear todo el potencial de almacenamiento de energía para una variedad de aplicaciones, es esencial desarrollar soluciones que se centren en cambiar la estructura física de las baterías.

Ganando la carrera de la batería

No son solo las mejoras de rendimiento las que ganarán la carrera de las baterías, sino también el refinamiento de la producción y la reducción de costes. Para capturar una gran parte del mercado de baterías en auge, que se espera que alcance los $ 279,7 mil millones para 2027, los países de todo el mundo deben encontrar formas de lograr la fabricación de baterías a gran escala y de bajo costo. Será fundamental favorecer las soluciones “instantáneas” y los métodos de producción innovadores que puedan integrarse en las líneas de montaje y los materiales existentes.

El plan de empleo de la administración de Biden en los Estados Unidos destaca la importancia de la producción de baterías domésticas para el objetivo del país de ser un líder en electrificación mientras se cumplen los ambiciosos objetivos de reducción de carbono. Compromisos como estos jugarán un papel clave para determinar quién puede mantener una ventaja competitiva crítica en baterías y tomar la mayor parte del mercado mundial de vehículos eléctricos de $ 162 mil millones.

En última instancia, las tecnologías ganadoras en la carrera por la electrificación total serán aquellas que tengan el impacto más significativo en el rendimiento, la reducción de costos y la compatibilidad con la infraestructura de fabricación existente. Al adoptar un enfoque holístico y enfocarnos más en el diseño innovador de celdas mientras ajustamos las químicas clave, podemos dar los siguientes pasos en el rendimiento de la batería y el rápido tiempo de comercialización que el mundo necesita desesperadamente.