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Esta batería súper densa en energía podría casi duplicar la autonomía de los vehículos eléctricos
Celda de batería de metal de litio de estado sólido de una sola capa de QuantumScape. Cortesía: QuantumScape
Los científicos han visto durante mucho tiempo a las baterías de metal de litio como una tecnología ideal para el almacenamiento de energía, aprovechando el metal más liviano de la tabla periódica para generar celdas repletas de energía.
Pero los investigadores y las empresas han intentado sin éxito durante décadas producir versiones asequibles y recargables que no tengan la desagradable costumbre de incendiarse.
Luego, a principios de este año, Jagdeep Singh, director ejecutivo de QuantumScape, afirmó en una entrevista con El Movilista que la empresa sigilosa de Silicon Valley, fuertemente financiada, había resuelto los desafíos técnicos clave. Agregó que VW espera tener las baterías en sus autos y camiones para 2025, prometiendo reducir el costo y aumentar el alcance de sus vehículos eléctricos.
Después de salir a bolsa en noviembre, QuantumScape ahora está valorado en alrededor de $ 20 mil millones, a pesar de no tener ningún producto o ingresos todavía (y no hay expectativa de que lo haga hasta 2024 ). VW ha invertido más de 300 millones de dólares en la empresa y ha creado una empresa conjunta con QuantumScape para fabricar las baterías. La compañía también ha recaudado cientos de millones de otros inversores importantes.
Aún así, hasta ahora Singh había revelado pocos detalles sobre la batería, lo que llevó a investigadores, rivales y periodistas a buscar en las solicitudes de patentes, documentos de inversionistas y otras fuentes pistas sobre qué había logrado exactamente la compañía y cómo.
En un comunicado de prensa el martes 8 de diciembre, QuantumScape finalmente proporcionó los resultados técnicos de las pruebas de laboratorio. Su tecnología es una batería parcialmente de estado sólido, lo que significa que utiliza un electrolito sólido en lugar del líquido del que dependen la mayoría de las baterías para promover el movimiento de átomos cargados a través del dispositivo.
Numerosos investigadores y empresas están explorando la tecnología de estado sólido para una variedad de químicas de baterías porque este enfoque tiene el potencial de mejorar la seguridad y la densidad de energía, aunque ha resultado difícil desarrollar una versión práctica.
La compañía, con sede en San José, California, aún oculta ciertos detalles sobre su batería, incluidos algunos de los materiales y procesos clave que utiliza para que funcione. Y algunos expertos siguen siendo escépticos que QuantumScape realmente ha abordado los complicados desafíos técnicos que harían posible una batería de metal de litio en vehículos comerciales en los próximos cinco años.
Resultados de la prueba
En una entrevista con MIT Technology Review, Singh dice que la compañía ha demostrado que sus baterías satisfarán efectivamente cinco necesidades clave de los consumidores que hasta ahora han impedido que los vehículos eléctricos superen 2% de las ventas de automóviles nuevos en EE. UU. : costes más bajos, mayor autonomía, tiempos de carga más cortos, mayor vida útil total en la carretera y mayor seguridad.
Cualquier batería que pueda cumplir con estos requisitos realmente puede abrir el 98% del mercado de una manera que no puede hacer hoy, dice.
Jagdeep Singh, director ejecutivo de QuantumScape
De hecho, los resultados de rendimiento de QuantumScape son notables.
Las baterías pueden cargarse al 80% de su capacidad en menos de 15 minutos. (Tendencia del motor fundar que el supercargador V3 de Tesla llevó un Model 3 del 5% al 90% en 37 minutos, en una prueba el año pasado). Y retienen más del 80% de su capacidad durante 800 ciclos de carga, que es el equivalente aproximado de conducir 240,000 millas. De hecho, la batería muestra poca degradación incluso cuando se somete a ciclos agresivos de carga y descarga.
Finalmente, la compañía dice que la batería está diseñada para lograr rangos de conducción que podrían superar los de los vehículos eléctricos con baterías de iones de litio estándar en más del 80 %, aunque esto aún no se ha probado directamente.
Los datos de QuantumScape son bastante impresionantes, dice Paul Albertus, profesor asistente de ingeniería química y biomolecular en la Universidad de Maryland y anteriormente director del programa IONICS centrado en el estado sólido de ARPA-E, que no tiene afiliación ni relación financiera con la empresa.
La compañía ha ido mucho más allá que otras cosas que he visto en baterías de metal de litio, agrega: Han corrido un maratón mientras que todos los demás han hecho una carrera de 5 km.
Cómo funciona
Entonces, ¿cómo lograron todo esto?
En una batería estándar de iones de litio en un automóvil eléctrico actual, uno de los dos electrodos (el ánodo) está hecho principalmente de grafito, que almacena fácilmente los iones de litio que van y vienen a través de la batería. En una batería de metal de litio, ese ánodo está hecho de litio. Eso significa que casi todos los electrones se pueden poner a trabajar almacenando energía, que es lo que explica el mayor potencial de densidad de energía.
Pero crea un par de grandes desafíos. La primera es que el metal es altamente reactivo, por lo que si entra en contacto con un líquido, incluido el electrolito que soporta el movimiento de esos iones en la mayoría de las baterías, puede desencadenar reacciones secundarias que degradan la batería o provocan una combustión. La segunda es que el flujo de iones de litio puede formar formaciones similares a agujas conocidas como dendritas, que pueden perforar el separador en el medio de la batería, provocando un cortocircuito en la celda.
A lo largo de los años, esos problemas han llevado a los investigadores a tratar de desarrollar electrolitos de estado sólido que no reaccionen con el litio metálico, utilizando cerámicas, polímeros y otros materiales.
Una de las innovaciones clave de QuantumScape fue desarrollar un electrolito cerámico de estado sólido que también sirve como separador. Con solo unas pocas decenas de micrómetros de espesor, suprime la formación de dendritas al mismo tiempo que permite que los iones de litio pasen fácilmente de un lado a otro. (El electrolito en el otro extremo de la batería, el lado del cátodo, es un gel de alguna forma, por lo que no es una batería completamente de estado sólido).
Singh se niega a especificar el material que están usando, diciendo que es uno de sus secretos comerciales mejor guardados. (Algunos los expertos en baterías sospechan , sobre la base de solicitudes de patentes, que es un óxido conocido como LLZO). Encontrarlo tomó cinco años; desarrollar la composición y el proceso de fabricación adecuados para evitar defectos y dendritas llevó otros cinco.
La compañía cree que el paso a la tecnología de estado sólido hará que las baterías sean más seguras que la variedad de iones de litio en el mercado actual, que todavía se prende fuego de vez en cuando ellos mismos en circunstancias extremas.
El otro gran avance es que la batería se fabrica sin un ánodo diferenciado. (Ver QuantumScape's vídeo aquí para tener una mejor idea de su diseño sin ánodos).
A medida que se carga la batería, los iones de litio en el lado del cátodo viajan a través del separador y forman una capa perfectamente plana entre este y el contacto eléctrico en el extremo de la batería. Casi todo ese litio regresa al cátodo durante el ciclo de descarga. Esto elimina la necesidad de cualquier material de ánodo anfitrión que no contribuya directamente al trabajo de almacenamiento de energía o transporte de corriente, lo que reduce aún más el peso y el volumen necesarios. También debería reducir los costos de fabricación, dice la compañía.
Riesgos restantes
Sin embargo, hay una trampa: los resultados de QuantumScape provienen de pruebas de laboratorio realizadas en células de una sola capa. Una batería de automóvil real necesitaría tener docenas de capas, todas trabajando juntas. Pasar de la línea piloto a la fabricación comercial es un desafío importante en el almacenamiento de energía, y el punto en el que han fallado muchas de las que alguna vez fueron prometedoras puestas en marcha de baterías.
Albertus señala que existe una rica historia de afirmaciones prematuras sobre avances en baterías, por lo que cualquier novedad se recibe con escepticismo. Le gustaría que QuantumScape sometiera las células de la empresa a los tipos de pruebas independientes que realizan los laboratorios nacionales, en condiciones estandarizadas.
Otros observadores de la industria han expresado dudas de que la empresa pueda lograr la ampliación y las pruebas de seguridad requeridas para colocar baterías en los vehículos en circulación para 2025, si la empresa solo ha probado rigurosamente las células de una sola capa hasta el momento.
Sila Nanotechnologies, una startup de baterías rival en desarrollo un tipo diferente de materiales de ánodo densos en energía para baterías de iones de litio, lanzó un papel blanco un día antes de la historia de Mobilist que destaca una letanía de desafíos técnicos para las baterías de metal de litio de estado sólido. Señala que muchas de las ventajas teóricas del litio-metal se reducen a medida que las empresas trabajan en baterías comerciales, dadas todas las medidas adicionales necesarias para que funcionen.
Pero el documento enfatiza que la parte más difícil será enfrentar el desafío del mercado: competir con la infraestructura global masiva que ya existe para obtener, producir, enviar e instalar baterías de iones de litio.
Apuestas masivas
Otros observadores, sin embargo, dicen que los avances recientes en el campo indican que las baterías de metal de litio superarán significativamente la densidad de energía de la tecnología de iones de litio y que los problemas que retrasan el campo pueden resolverse.
Solía ser si tendremos baterías de metal de litio; ahora se trata de cuándo las tendremos, dice Venkat Viswanathan, profesor asociado de Carnegie Mellon que ha investigado las baterías de metal de litio (y ha realizado trabajos de consultoría para QuantumScape).
Singh reconoció que la empresa aún enfrenta desafíos, pero insiste en que se relacionan con la ingeniería y la ampliación de la fabricación. No cree que se requiera ningún avance adicional en la química.
También señaló que la compañía ahora tiene más de mil millones de dólares, lo que le proporciona una pista considerable para llegar a la producción comercial.
Cuando se le preguntó por qué los periodistas deberían tener confianza en los resultados de la compañía sin el beneficio de los hallazgos independientes, Singh enfatizó que está compartiendo la mayor cantidad de datos posible para ser transparente. Pero agrega que QuantumScape no está en el negocio de la investigación académica.
Sin ofender, pero realmente no nos importa lo que pienses, dice. Las personas que nos importan son nuestros clientes. Han visto los datos, han realizado las pruebas en su propio laboratorio, han visto que funciona y, como resultado, están apostando masivamente por esta empresa. VW lo ha hecho todo.
En otras palabras, la verdadera prueba de si QuantumScape ha resuelto los problemas tan completamente como afirma es si el gigante automovilístico alemán pone en circulación automóviles equipados con baterías para 2025.