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Las nuevas baterías de metal de litio impulsarán el cambio a los autos eléctricos
Un nuevo tipo de batería finalmente podría hacer que los autos eléctricos sean tan convenientes y baratos como los de gasolina.
Se utiliza un difractómetro de rayos X para verificar los componentes de la batería en QuantumScape. Los culpables son Wintermeyer
24 de febrero de 2021
Por qué importa:Las limitaciones de rendimiento de las baterías han frenado el cambio a autos eléctricos más limpios y casi han descartado los aviones eléctricos.
Jugadores claves. Jugadores principales:• Paisaje Cuántico
• Instituto de Tecnología Avanzada de Samsung
• Energía sólida
• 24M
Disponibilidad:2025
A pesar de todo el bombo y la esperanza en torno a los vehículos eléctricos, todavía representan solo alrededor del 2% de las ventas de autos nuevos en los EE. UU. y solo un poco más a nivel mundial.
Para muchos compradores, son simplemente demasiado caros, su alcance es demasiado limitado y cargarlos no es tan rápido y conveniente como repostar en la bomba.
Esta historia fue parte de nuestra edición de marzo de 2021
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Todas estas limitaciones tienen que ver con las baterías de iones de litio que alimentan los vehículos. Son costosos, pesados y se quedan sin jugo rápidamente. Para empeorar las cosas, las baterías dependen de electrolitos líquidos que pueden estallar en llamas durante las colisiones.
Hacer que los autos eléctricos sean más competitivos que los que funcionan con gasolina requerirá una batería innovadora que resuelva esas deficiencias. Ese, al menos, es el argumento de Jagdeep Singh, director ejecutivo de QuantumScape, una startup de Silicon Valley que afirma haber desarrollado apenas tal tecnología .
La compañía afirma que lo hizo resolviendo un acertijo químico que ha dejado perplejos a los investigadores durante casi medio siglo: cómo utilizar el litio, el metal más ligero de la tabla periódica, para aumentar la cantidad de energía que se puede almacenar en una batería sin plantear un problema. riesgo rutinario de incendio o de otro modo sacrificar el rendimiento. La compañía dice que logró esto, en gran parte, mediante el desarrollo de una versión sólida del electrolito líquido inflamable.
VW quedó lo suficientemente impresionado como para invertir cientos de millones de dólares en QuantumScape. El gigante automotriz alemán también acordó establecer una empresa conjunta con la compañía para producir en masa las baterías y dice que estarán en sus autos y camiones eléctricos en la carretera para 2025.
Carga más rápida y mayor alcance
En una batería de iones de litio convencional, uno de los dos electrodos, el ánodo, está hecho principalmente de grafito. Esta es una forma de carbono que puede absorber y liberar fácilmente los iones de litio cargados que van y vienen entre el ánodo y el cátodo a través del electrolito. Ese flujo de partículas cargadas produce una corriente eléctrica, que sale de la batería para alimentar lo que sea necesario. Pero el grafito es simplemente un anfitrión para los iones de litio, que anidan entre láminas de carbono como paquetes en los estantes. Es un peso muerto que no almacena energía ni produce una corriente por sí mismo.
En una batería de metal de litio, el ánodo en sí está hecho de litio. Esto significa que casi todos los átomos en el ánodo de la batería también se pueden poner a trabajar para crear corriente. Teóricamente, una batería basada en ánodo de metal de litio podría almacenar un 50% más de energía que una del mismo peso y volumen basada en grafito.
Sin embargo, debido a que el metal de litio es tan reactivo, estar en contacto constante con un electrolito líquido puede desencadenar reacciones que degradan la batería o hacen que se queme, dice Venkat Viswanathan, profesor asociado en Carnegie Mellon que trabaja en baterías de metal de litio y es un consultor de QuantumScape. Otro problema es que, a medida que los iones de litio fluyen de un lado a otro, se pueden formar estructuras similares a agujas conocidas como dendritas en las baterías y provocar un cortocircuito en la celda o hacer que se incendie.
La celda prototipo de QuantumScape presenta una versión sólida del electrolito generalmente líquido.
WINNI WINTERMEYERQuantumScape, que salió a bolsa en noviembre después de operar en modo sigiloso durante una década, todavía está ocultando algunos de los detalles críticos sobre cómo su batería de electrolito sólido supera estos problemas. Pero parece funcionar notablemente bien.
En una presentación en línea en diciembre, la startup mostró una serie de gráficos que muestran que una versión de laboratorio de una sola capa de la batería puede cargarse a más del 80 % de su capacidad en 15 minutos, dura cientos de miles de millas y funciona. bien a temperaturas bajo cero. La compañía espera que las baterías puedan aumentar la autonomía de los vehículos eléctricos en más de un 80 %: un automóvil que puede recorrer 250 millas con una sola carga hoy podría conducir 450 millas.
QuantumScape me ha hecho retroceder, dice Nancy Dudney, investigadora de baterías en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, que ha realizado un trabajo pionero en electrolitos de estado sólido. A primera vista, se ve muy bien, dice, aunque agrega: Ya hemos estado aquí antes con otros avances en baterías.
De hecho, el campo de las baterías está plagado de ejemplos de nuevas empresas que prometieron tecnologías innovadoras pero que finalmente fracasaron. Y los desafíos que enfrenta QuantumScape son abrumadores, particularmente cuando se trata de convertir sus prototipos de celdas en productos comerciales que pueden fabricarse a bajo costo.
Si la empresa tiene éxito, podría transformar el mercado de vehículos eléctricos. Reducir los costos, aumentar el alcance y hacer que la carga sea casi tan conveniente como repostar en una estación de servicio podría ampliar la demanda más allá de las personas que pueden pagar miles de dólares para cargar puertos en el hogar y aliviar la ansiedad de aquellos que temen quedarse varados en viajes más largos.
La densidad de energía adicional y la carga más rápida también podrían hacer que sea más práctico electrificar otras formas de transporte, incluidos los camiones de larga distancia e incluso los vuelos de corta distancia. (Como beneficio adicional, también entregaría teléfonos y computadoras portátiles que podrían durar un par de días con una sola carga).
Nacimiento de una batería
La historia de las baterías de metal de litio comenzó a principios de la década de 1970 y está estrechamente relacionada con el desarrollo de las baterías de iones de litio de las que dependemos hoy.
La crisis del petróleo de la época, junto con lo que resultarían ser temores muy tempranos del pico del petróleo, de repente reavivó el interés en los vehículos eléctricos por primera vez desde la infancia de la industria automotriz. Para 1972, American Motors, Chrysler, Ford, GM, Toyota, VW y otros estaban trabajando en autos eléctricos, como describe el escritor científico Seth Fletcher en el libro Iluminación embotellada . Mientras tanto, los grandes laboratorios industriales, incluidos los de GE, Dow Chemical y Exxon, buscaban mejores productos químicos para las baterías.
Las baterías en ese entonces, que en su mayoría eran de plomo-ácido, no podían entregar ni cerca de las distancias o velocidades de los motores de gasolina. En 1969, General Motors coche eléctrico experimental 512 contaba con una velocidad máxima de aproximadamente 30 millas por hora, con un alcance de 47 millas.
En una batería de iones de litio, los iones de litio van y vienen entre el ánodo y el cátodo a medida que la batería se carga y descarga. En la batería de QuantumScape, los iones viajan a través de un separador y forman una capa perfectamente plana entre este y el contacto eléctrico, creando el ánodo cuando se carga. Carece de un ánodo en su estado empobrecido.
En 1972, la división de investigación de Exxon contrató a un joven químico llamado Stan Whittingham gracias a su trabajo posdoctoral en Stanford. Específicamente, estaba desarrollando materiales cristalinos que permitían que los iones entraran y salieran fácilmente. En Exxon, Whittingham y sus colegas comenzaron a experimentar con un material poroso prometedor para un cátodo: disulfuro de titanio. Lo emparejaron con un ánodo hecho de litio metálico, un material altamente reactivo que libera fácilmente sus electrones. Funcionó sorprendentemente bien.
El equipo solicitó una patente en 1973, publicó un hito papel en la ciencia en 1976, y mostró una versión más grande de las células en un salón del automóvil en 1977 .
A principios de la década de 1980, la crisis del petróleo había pasado. La nueva gerencia de Exxon decidió deshacerse de cualquier línea de negocios sin potencial para convertirse en un mercado anual de $100 millones. La compañía abandonó sus esfuerzos de vehículos eléctricos y baterías. Dijeron: 'Estos son demasiado pequeños para que nos involucremos', dice Whittingham.
El ion de litio toma el relevo
Las baterías de metal de litio eran muy superiores a las baterías de plomo-ácido, pero también tenían inconvenientes inherentes que el equipo de Exxon nunca había resuelto, incluido su hábito de provocar incendios en el laboratorio.
Otros que intentaron comercializar baterías de metal de litio se encontraron con problemas similares. En la década de 1980, Moli Energy de la Columbia Británica desarrolló una batería de metal de litio de 2,2 voltios para computadoras portátiles y teléfonos celulares. Pero en 1989, un teléfono celular japonés se incendió. quemando a su dueño . Después de que una investigación culpó a la batería, miles de teléfonos celulares fueron retirados del mercado y la compañía entró en suspensión de pagos, según Electric Autonomy Canada.
Mientras tanto, otros se basaban en el trabajo de Whittingham. John Goodenough, ahora profesor de la Universidad de Texas en Austin, utilizó óxido de cobalto en lugar de disulfuro de titanio para desarrollar un cátodo que pudiera almacenar más energía. Akira Yoshino, profesor de la Universidad de Meijo, cambió el ánodo de litio puro por coque (otra forma de carbono), que aún podía almacenar una gran cantidad de iones de litio pero reducía los peligros de incendio. Finalmente, los investigadores de Sony ensamblaron las piezas para desarrollar las primeras baterías comerciales de iones de litio en 1992. Whittingham, Goodenough y Yoshino compartió el premio Nobel de química en 201 9 por su papel en el avance.
El éxito desbocado de las baterías de iones de litio, que ahora alimentan nuestras computadoras portátiles, teléfonos y vehículos eléctricos, anuló los esfuerzos para comercializar la tecnología de metal de litio en los años venideros. Pero algunos nunca perdieron de vista el potencial del litio-metal para ser una forma más eficiente de almacenamiento de energía. Y reemplazar los electrolitos líquidos estándar, que son efectivamente solventes combustibles, con materiales sólidos parecía una vía de exploración particularmente prometedora.
Alrededor del año 2000, un equipo del Laboratorio Nacional de Oak Ridge demostró baterías de película delgada, del tipo que se utiliza en dispositivos electrónicos pequeños como tarjetas inteligentes y marcapasos, que usaban tecnología de metal de litio de estado sólido. El proceso de producción y el tamaño y la forma de las baterías de película delgada en su mayoría limitan su uso más allá de algo más grande que un reloj, dice Paul Albertus, un experto en baterías de la Universidad de Maryland. Pero el trabajo proporcionó una prueba de concepto crucial para una batería de metal de litio en funcionamiento.
atropello
Varias nuevas empresas habían comenzado a buscar la tecnología nuevamente a fines de la década de 2000. Pero ha resultado ser un camino traicionero.
Algunos ya han cerrado. Seeo, formada en 2007, fue comprada por la empresa alemana Bosch, que luego disolvió sus esfuerzos de investigación de baterías. Bolloré, con sede en Francia, fue el primero en colocar baterías de metal de litio de estado sólido en vehículos en circulación, y lanzó sus programas de autos compartidos Bluecar en 2011. Pero sus electrolitos a base de polímeros solo funcionan a temperaturas más altas, lo que limita su uso en vehículos de consumo. .
Los cátodos para las baterías de QuantumScape se fabrican en esta línea de fabricación.
WINNI WINTERMEYERSin embargo, un puñado de otras empresas han realizado avances más recientes. En particular, dos días después de la presentación de QuantumScape en diciembre pasado, Solid Power, una startup de Colorado fundada en 2012, anunció que ya está produciendo lotes a escala piloto de celdas de metal de litio de 22 capas que superarían el alcance de las baterías de vehículos eléctricos actuales. .
Y en enero, la división ARPA-E del Departamento de Energía anunció que invertiría $ 9 millones en un esfuerzo de la compañía de baterías 24M y Viswanathan de Carnegie Mellon para desarrollar baterías de metal de litio diseñadas para aviones eléctricos, donde la energía almacenada y la energía entregada por kilogramo son crucial.
Puesta en marcha de QuantumScape
El truco para cualquier empresa que desarrolle baterías de metal de litio ha sido identificar materiales de electrolitos que eviten incendios y dendritas mientras permiten que los iones pasen fácilmente y sin degradar el rendimiento de la batería. Y eso es precisamente lo que QuantumScape afirma haber hecho.
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Esta batería súper densa en energía podría casi duplicar la autonomía de los vehículos eléctricos Pero algunos observadores no están convencidos de que las baterías de metal de litio de QuantumScape impulsen automóviles y camiones en la carretera tan pronto como afirma la empresa.Los orígenes de la empresa se remontan a 2009. Mientras Singh se preparaba para renunciar como director ejecutivo de Infinera, una empresa de redes de la que fue cofundador, comenzó a hablar con el becario postdoctoral de Stanford Tim Holme y su asesor, Friedrich Prinz, sobre la formación de una empresa basada en su investigación sobre nuevos materiales para baterías.
El trío cofundó QuantumScape al año siguiente, con el objetivo de desarrollar baterías densas en energía con una salida de alta potencia. Primero intentaron hacerlo creando un tipo de batería completamente nuevo, conocido como batería totalmente electrónica, pero descubrieron que sería más difícil de lo que parecía inicialmente.
Para entonces, la empresa había recaudado decenas de millones de dólares de firmas de capital de riesgo como Kleiner Perkins y Khosla Ventures. Eso dejó a QuantumScape con suficiente dinero para cambiar de dirección silenciosamente, persiguiendo el sueño de la tecnología de metal de litio.
La compañía pasó los siguientes cinco años buscando el material adecuado para desarrollar un electrolito de estado sólido, dice Singh. Luego dedicó otros cinco a determinar la composición y el proceso de fabricación correctos para evitar defectos y dendritas. Todo lo que la compañía dirá sobre su electrolito es que es una cerámica.
¿Ya llegamos?
Todas las pruebas publicadas de QuantumScape hasta ahora se realizaron en células de una sola capa. (Después de que este artículo fuera a la imprenta, la compañía anunció que produjo y realizó pruebas en celdas de 4 capas que lograron resultados similares). Para trabajar en automóviles, la compañía necesitará producir baterías empaquetadas con varias docenas de capas , pasando efectivamente de una sola carta de juego a una baraja. Y aún tendrá que encontrar una manera de fabricar estas celdas a un precio lo suficientemente bajo como para competir con el ion de litio, una tecnología de batería que ha dominado durante décadas.
Es una tarea de ingeniería abrumadora. Están a mitad de camino: después de 10 años, $300 millones y 150 personas trabajando en esto, ahora tienen esta pequeña carta de juego, dice Albertus, de la Universidad de Maryland. Todavía está muy lejos de entregar baterías en la escala de miles de toneladas métricas, y es un desafío realmente difícil. Varios investigadores de baterías me dijeron que dudan seriamente de que QuantumScape pueda escalar y completar pruebas de seguridad completas a tiempo para poner baterías en automóviles en la carretera dentro de solo cuatro años.
Dados los resultados de la compañía y los alentadores anuncios de otras empresas emergentes, la mayoría de las personas en el mundo de las baterías cree que parece más probable que los problemas que han detenido al litio-metal durante décadas puedan resolverse, razón por la cual está en la lista de MIT Technology Review. tecnologías innovadoras este año. Pero también está claro que a pesar de todo el progreso que se ha logrado desde el tiempo de Whittingham en Exxon, aún quedan años de trabajo por delante.
Actualización: esta historia se actualizó para corregir un error relacionado con la cantidad de energía adicional que teóricamente puede almacenar una batería de metal de litio.
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