Esta batería súper densa en energía podría casi duplicar la autonomía de los vehículos eléctricos

Los científicos han visto durante mucho tiempo 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 producir celdas repletas de energía.

Pero los investigadores y las empresas han intentado y fracasado durante décadas para producir versiones asequibles y recargables que no tenían la desagradable costumbre de prenderse fuego.

Luego, a principios de este año, Jagdeep Singh, director ejecutivo de QuantumScape, afirmó en una entrevista con The Mobilist que la sigilosa empresa de Silicon Valley, fuertemente financiada, había superado los desafíos técnicos clave. Agregó que VW espera tener las baterías en sus autos y camiones para 2025, prometiendo reducir el costo y aumentar la autonomía de sus vehículos eléctricos.

Después de salir a bolsa en noviembre, QuantumScape ahora está valorado en alrededor de $ 20 mil millones, a pesar de que todavía no tiene productos o ingresos (y no hay expectativas de que lo haga hasta 2024). VW ha invertido más de $ 300 millones 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 importantes inversores.

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 anuncio de prensa el martes 8 de diciembre, QuantumScape finalmente proporcionó los resultados técnicos de las pruebas de laboratorio. Su tecnología es una batería de estado parcialmente 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 el desarrollo de una versión práctica ha resultado difícil.

La compañía, con sede en San José, California, todavía oculta ciertos detalles sobre su batería, incluidos algunos de los materiales y procesos clave que está utilizando 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 ., Singh dice que la compañía ha demostrado que sus baterías satisfacen eficazmente 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.: costos más bajos, mayor alcance, tiempos de carga más cortos, mayor vida útil total en la carretera y mayor seguridad.

“Cualquier batería que pueda cumplir con estos requisitos puede realmente abrir el 98% del mercado de una manera que no se puede hacer hoy”, dice.

Jagdeep Singh, director ejecutivo de QuantumScape

CORTESÍA: 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. (MotorTrend encontró que el V3 Supercharger 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 de carga y descarga agresivos.

Finalmente, la compañía dice que la batería está diseñada para lograr rangos de conducción que podrían superar los de los vehículos eléctricos con baterías estándar de iones de litio en más de un 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 financiamiento relación con la empresa.

La compañía “ha ido mucho más lejos que otras cosas que he visto” en baterías de metal de litio, agrega: “Han corrido un maratón mientras que todos los demás han hecho un 5K”.

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 se desplazan hacia adelante y hacia atrás 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 pueden ponerse 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 hacen que se queme. La segunda es que el flujo de iones de litio puede formar formaciones en forma de 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 intentar desarrollar electrolitos de estado sólido que no reaccionen con el metal de litio, utilizando cerámicas, polímeros y otros materiales.

Una de las innovaciones clave de QuantumScape fue el desarrollo de 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 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 las solicitudes de patente, 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 requirió otros cinco.

La compañía cree que el cambio 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 ocasionalmente se prende fuego ellos mismos en circunstancias extremas.

El otro gran avance es que la batería se fabrica sin un ánodo distinto. (Ver QuantumScape’s video aquí para tener una mejor idea de su diseño “sin ánodo”).

A medida que la batería se carga, 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 almacenar energía o transportar 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 un problema: 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 trabajando juntas. Pasar de la línea piloto a la fabricación comercial es un desafío significativo en el almacenamiento de energía, y el punto en el que fallaron muchas de las que alguna vez fueron prometedoras puestas en marcha de baterías.

Albertus señala que hay una rica historia de afirmaciones prematuras de avances en la batería, por lo que cualquier nueva se recibe con escepticismo. Le gustaría ver a QuantumScape someter las células de la compañía 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 compañía pueda lograr las pruebas de seguridad y de ampliación requeridas para poner baterías en vehículos en la carretera para 2025, si la compañía solo ha probado rigurosamente celdas de una sola capa hasta ahora.

Sila Nanotechnologies, una startup de baterías rival que desarrolla un tipo diferente de materiales de ánodos densos en energía para baterías de iones de litio, lanzó un papel blanco un día antes de la historia 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 hacia 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 enorme infraestructura global que ya existe para abastecer, producir, enviar e instalar baterías de iones de litio.

Apuestas masivas

Sin embargo, otros observadores 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 detienen el campo pueden resolverse.

“Solía ​​ser si tendríamos baterías de metal de litio; ahora es una cuestión 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 requieran avances adicionales 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 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”.

“No te ofendas, pero realmente no nos importa lo que piensas”, dice. “Las personas que nos importan son nuestros clientes. Han visto los datos, han realizado las pruebas en su propio laboratorio, han visto cómo funciona y, como resultado, están apostando masivamente por esta empresa. VW ha hecho todo lo posible “.

En otras palabras, la prueba real de si QuantumScape ha resuelto los problemas tan completamente como afirma es si el gigante automovilístico alemán pondrá en circulación coches equipados con baterías para 2025.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *