¿Cuánto tardarán las baterías de estado sólido en estar disponibles en los coches?

En 2017, Fisker, una empresa estadounidense de vehículos eléctricos con sede en Anaheim (California), patentó una batería de litio de estado sólido que acaba de completar su aplicación: cargar durante 1 minuto y recorrer 800 kilómetros.

Este rendimiento de resistencia es 2,3 veces superior al del Model 3 de Tesla lanzado en 2016, que tiene una autonomía de unos 346 kilómetros.

Su fundador, Henrik Fisker, prometió en una entrevista que las baterías de litio de estado sólido se fabricarán en serie en 2023, y su precio será sólo un tercio del de las baterías de litio.

No es la primera vez que Fisker se aventura en el campo de las baterías de estado sólido, ni tampoco es la primera vez que Henrik Fisker dibuja un pastel de "batería de estado sólido" para el público.

En 2018, Henrik Fisker dijo que la compañía había superado el problema de las baterías de estado sólido y que el diseño final se revelaría en unos meses.

En 2019, el deportivo de Fisker equipado con baterías de estado sólido tardó en salir de la línea de producción, y la empresa solo pudo lanzar vehículos eléctricos ordinarios equipados con baterías de iones de litio líquido para bloquear las críticas cada vez más feroces.

En 2021, Henrik Fisker declaró que el plan de baterías de estado sólido se ha abandonado por completo.

Hasta ahora, el sueño de Fisker de producir en masa las baterías de estado sólido más rápidas del mundo se ha visto completamente truncado.

"Es una tecnología en la que cuando sientes que has conseguido el 90 por ciento, casi lo has conseguido, y entonces te das cuenta de que el 10 por ciento restante es mucho más difícil que el 90 por ciento anterior. Así que ahora, estamos abandonando por completo las baterías de estado sólido. porque realmente no se puede aterrizar". Henrik Fisker dijo: "Personalmente creo que, independientemente de la forma de producción en masa, las baterías de estado sólido están al menos a siete años vista".

Como sustituto de las baterías líquidas de iones de litio, la aparición y el desarrollo de las baterías de estado sólido es una fatalidad histórica.

En comparación con las baterías de iones de litio, las de estado sólido son seguras, ligeras, rentables y admiten cargas rápidas. Son la mejor salida para la próxima generación de baterías eléctricas. Son la única receta para erradicar la autonomía de crucero de los vehículos eléctricos actuales. Los vehículos eléctricos pueden matar por completo a los vehículos de combustible. Un asesino afilado.

En 2022, NIO, una empresa china de vehículos eléctricos inteligentes, equipará el nuevo modelo ET7 con un paquete de baterías híbridas sólido-líquido con una capacidad de 150 grados. Por tanto, 2022 se designará como el "primer año de las baterías de estado sólido".

Se trata de una fantasía de futuros, o de una realidad con los pies en la tierra.

La respuesta está escrita en el electrolito de la pila de estado sólido.

Nueva duración de las baterías de los vehículos eléctricos

Cuando se habla de vehículos eléctricos, la primera reacción de la mayoría de la gente es: la duración de la batería es demasiado corta.

Se señala sin rodeos que la autonomía de crucero de los vehículos eléctricos a la venta generalmente no puede cubrir los escenarios de conducción que un vehículo debería ser capaz de soportar.

Hay informes comunes sobre los absurdos problemas que se encuentran al conducir un vehículo eléctrico, como una reducción significativa de la duración de la batería, quedarse tumbado a medio camino y casi congelarse al conducir un vehículo eléctrico en invierno.

El inconveniente de la duración de las baterías de los vehículos eléctricos se multiplica con el frío, pero también reduce el umbral de confianza de los consumidores potenciales en esta nueva forma de energía.

Dai Kangwei, vicedecano del Instituto de Investigación de Nuevas Energías de BAIC, resumió en una ocasión los tres factores principales del declive de la vida útil de las baterías de los vehículos eléctricos en invierno:

El primer problema es la propia batería. Como producto químico, una vez que la temperatura es baja, el electrolito interno se volverá viscoso y la tasa de migración de iones de litio se ralentizará, lo que provocará una menor actividad de la batería y afectará a su rendimiento y capacidad.

El segundo problema es el sistema de aire acondicionado. En un vehículo de combustible, el sistema de aire acondicionado depende del calor residual del motor para calentarse. Sin embargo, los vehículos eléctricos no tienen motor y dependen de las baterías para calentarse, lo que consume mucho dinero.

La tercera angustia es el aumento de la resistencia aerodinámica causada por las bajas temperaturas. La densidad del aire en invierno es diferente a la del verano. En invierno, la densidad del aire aumenta, lo que se traduce en una mayor resistencia al viento y un fuerte incremento del consumo de energía.

La "ansiedad de autonomía" que ha estado profundamente ligada a los vehículos eléctricos desde su nacimiento no ha cambiado mucho debido al progreso tecnológico. La razón es que no hay ninguna innovación disruptiva en la batería de alimentación, el corazón de los vehículos eléctricos.

En 1881, el primer coche eléctrico del mundo, el ingeniero eléctrico francés Gustave Trouvé, de 42 años, lo mostró por primera vez en la Exposición Internacional de Electricidad de París, conducirlo es voluminoso y peligroso. Baterías de plomo.

En 1997 se fabricó y entregó en serie el coche híbrido que dominaría el mundo en el futuro, el Toyota Prius de primera generación. Utilizaba un paquete de baterías de níquel-hidruro metálico fabricado por la japonesa Panasonic y que pesaba 53,3 kg.

Pero antes de que el Prius arrasara en todo el mundo, la japonesa Sony fabricó con éxito la primera batería comercial de iones de litio del mundo en 1991. Las dos características de alta densidad energética y facilidad de carga rápida hacen de las baterías de iones de litio un inyector en alza en el campo de la electrónica de consumo.

En 2008, Tesla cargó baterías de iones de litio en el Roadster, un deportivo que subvirtió por completo los esquemas de la centenaria industria automovilística. Comenzaba un mito automovilístico de las baterías de iones de litio.

Hasta ahora, las baterías de iones de litio han completado tres transiciones tecnológicas intergeneracionales: el cátodo de óxido de cobalto de litio es la primera generación, el manganato de litio y el fosfato de hierro y litio son la segunda generación, y el litio ternario es la tercera generación. Las tres generaciones de baterías de iones de litio se componen de cuatro partes principales: electrodo positivo, electrodo negativo, electrolito y separador.

El litio fosfato de hierro y el litio ternario son las fórmulas mayoritarias preferidas por las grandes empresas automovilísticas. La primera tiene un precio bajo y es estable y segura, pero su densidad energética es baja y su rendimiento a bajas temperaturas, escaso. La segunda tiene una alta densidad energética y admite la carga rápida, pero es cara y tiene poca estabilidad térmica.

Pero tanto el fosfato de hierro y litio como el litio ternario se enfrentarán pronto a dos grandes techos: la densidad energética y los problemas de seguridad.

En primer lugar, el límite actual de densidad energética de las baterías líquidas de iones de litio es de unos 280 Wh/kg. Aunque se introduzcan aleaciones a base de silicio en el electrodo negativo, es difícil superar el límite superior de densidad de 400 Wh/kg.

El Ministerio de Industria y Tecnología de la Información señaló: "Para 2025 y 2030, la densidad energética de las pilas de energía de mi país tiene que alcanzar 400 Wh/kg y 500 Wh/kg, respectivamente".

No superar el umbral de densidad energética significa que no se pueden obtener nuevas subvenciones energéticas muy vinculadas a la densidad energética, lo que basta para que los consumidores de a pie se decepcionen al instante con los vehículos eléctricos.

En segundo lugar, el electrolito orgánico líquido altamente inflamable de las baterías líquidas de iones de litio suele considerarse la primera razón de la frecuente aparición de accidentes por combustión espontánea en los vehículos eléctricos.

En 2019, la Administración Estatal de Regulación del Mercado retiró 33.000 vehículos de nueva energía. El número de retiradas por problemas en las baterías de alimentación fue de 6.217 unidades, lo que supone el 18,7% del total de retiradas de vehículos de nueva energía.

En 2020, se retiraron 357.000 vehículos de nueva energía, de los cuales 112.000 se retiraron debido a defectos en el sistema trieléctrico, lo que representa el 31,3% del número total de vehículos de nueva energía retirados.

En el "Informe de Seguridad de Vehículos Eléctricos" publicado por la Asociación China de Vehículos Eléctricos de 100, la combustión espontánea representó 31% de los accidentes domésticos por incendio de vehículos de nuevas energías. El concepto de seguridad no se alcanzará, y la visión a largo plazo de que los vehículos eléctricos sustituyan por completo a los de gasolina no se hará realidad.

Desde que Tesla introdujo las baterías de litio líquido en el campo de los vehículos eléctricos en 2008, las baterías tradicionales de ion de litio líquido han dominado el mercado de las baterías eléctricas durante más de diez años. Densidad energética, requisitos de seguridad, autonomía de crucero, exigencias de coste y baterías de ion de litio líquido El conflicto entre ellos es irreconciliable.

Ouyang Minggao, académico de la Academia China de las Ciencias, ha declarado públicamente que para alcanzar el objetivo de densidad energética de 500 Wh/kg en 2030, el único camino es un avance en el electrolito sólido.

Las baterías de estado sólido son el hito más cercano en este camino.

¿Por qué debe ser una batería de estado sólido? Hay tres razones:

En primer lugar, el electrolito sólido no inflamable, no corrosivo, no volátil, sin fugas y resistente a altas temperaturas sustituye al electrolito, la sal electrolítica y el diafragma, y resuelve completamente el riesgo de combustión espontánea causado por el electrolito orgánico líquido inflamable;

En segundo lugar, las baterías de estado sólido tienen una alta densidad energética, y hay grandes esperanzas de superar la marca de los 500 Wh/kg, lo que puede aumentar la autonomía de crucero de los vehículos eléctricos de 800 a 1.000 kilómetros. Además, la batería de estado sólido tiene un amplio rango de temperaturas de funcionamiento y admite la carga superrápida.

En tercer lugar, las baterías de estado sólido pueden reducir enormemente el peso del sistema. Las celdas de las baterías de estado sólido no contienen líquido y pueden conectarse en serie antes del embalaje. Al mismo tiempo, debido a sus características totalmente incombustibles, los componentes de control de temperatura BMS dejarán de existir, y se tomarán múltiples medidas para aumentar la autonomía de crucero.

Desde el punto de vista de la latitud técnica, las baterías de estado sólido son la mejor salida para la próxima generación de baterías de potencia, la única receta para erradicar la obstinada autonomía de crucero de los vehículos eléctricos actuales, y un asesino agudo para que los vehículos eléctricos acaben con los vehículos de combustible.

Sin embargo, en el calendario de desembarco de las principales empresas automovilísticas, tanto gigantes tradicionales como fuerzas emergentes, la aparición más temprana de las baterías de estado sólido se sitúa en el cuarto trimestre de 2022. En ese momento, comenzará oficialmente la versión con baterías de estado sólido del NIO ET7, equipado con un paquete de baterías de 150 grados y una autonomía de más de 1.000 kilómetros.

Pero éste parece ser un paquete de baterías de 150 grados que puede llevar la bandera de la producción comercial en serie de "baterías de estado sólido". Se trata esencialmente de un producto de transición en la ruta técnica final. Tiene un nombre "semiacabado": batería de estado semisólido.

Mito o bulo tecnológico

Al ser algo tan nuevo como los vehículos eléctricos, las baterías de estado sólido cuentan con el favor del capital, pero también están siendo cuestionadas con la misma intensidad.

Entre ellos, el ángulo de sospecha más frecuentemente escrito en mayúsculas y en negrita es: el progreso de la producción en masa.

La respuesta a esta pregunta puede verse en los calendarios de recogida de baterías de estado sólido de las principales empresas automovilísticas del mundo.

Weilai es el "representante de la clase" con el progreso más rápido entre las empresas automovilísticas mundiales y la ventaja obvia de ser el primero. Se espera que el pack de baterías semisólidas de 150 grados se fabrique en serie en el cuarto trimestre del año que viene.

Entre las empresas automovilísticas japonesas, la más rápida es Toyota. Aunque se ha construido un prototipo de prueba en 2020, la producción en serie real no se completará hasta 2025.

En la actualidad, las empresas automovilísticas alemanas van de cabeza: el Grupo Volkswagen invirtió $100 millones en la startup de baterías de estado sólido de Silicon Valley QuantumScape en 2018, convirtiéndose en el mayor accionista. Otros $200 millones en 2020. Este año, el Grupo Volkswagen anunció que utilizaría baterías de estado sólido para 2025.

BMW Group invirtió $130 millones este año en Solid Power, una empresa emergente de baterías de estado sólido con sede en Colorado, y empezará a probar e integrar prototipos de baterías de estado sólido el año que viene. Los vehículos prototipo se lanzarán en 2025 y se producirán en serie en 2030.

Mercedes-Benz también ha llegado este año a un acuerdo estratégico con Factorial Energy, una empresa de baterías de estado sólido, para empezar a probar prototipos de baterías en 2022, con producción en serie en los próximos cinco años. Es la segunda vez que Mercedes-Benz invierte en una empresa de baterías de estado sólido, tras su asociación con Hydro Quebec.

Las empresas automovilísticas estadounidenses muestran un claro sentido de la división. El Grupo Ford, uno de los tres gigantes de Detroit, invirtió en Solid Power en 2017, empezó a probar productos el año que viene y entró en pruebas en carretera entre 2025 y 2030.

General Motors anunció en octubre de este año que invertiría en la creación de un nuevo centro de investigación y desarrollo de baterías para vehículos eléctricos en Michigan (Estados Unidos), con el objetivo de centrarse en superar las dificultades técnicas de la investigación y el desarrollo de baterías de estado sólido. En 2018, General Motors inyectó financiación de serie B en Solid Energy Systems, una empresa de baterías de estado sólido. En abril de este año, también lideró una financiación Serie D de $139 millones en Solid Energy Systems.

El Grupo Stellantis, que se ha fusionado en la cuarta mayor empresa automovilística del mundo, anunció en diciembre la firma de un acuerdo de desarrollo conjunto con Factorial Energy, fabricante de materiales electrolíticos de estado sólido con sede en Woburn (Massachusetts), para introducir la primera batería de estado sólido competitiva en 2026. Tecnología.

Aunque las baterías de estado sólido se han identificado como el "terminador" de las baterías de iones de litio líquidos, siempre hay alguien que no se lo cree.

Es Elon Musk.

En contra del afán de las grandes compañías automovilísticas por avanzar con las baterías de estado sólido, Elon Musk y su Tesla siempre han guardado silencio y distancia con esta nueva tecnología.

En la junta anual de accionistas de Tesla y en el evento "Día de la batería" de 2020, Elon Musk afirmó que la batería "4680" de nuevo desarrollo de la empresa ha aumentado 5 veces la densidad energética, 16% la autonomía de crucero y 6 veces la potencia de carga y descarga. Además, el coste por kWh se ha reducido en 14%, y la velocidad de la línea de producción de baterías se ha multiplicado por 7.

El nuevo pack de baterías adopta un diseño sin módulos y está compuesto por unas 960 (40×24) baterías "4680". En comparación con el pack de baterías compuesto por más de 4.400 baterías "2170", el volumen y el peso se reducen considerablemente, y la densidad energética aumenta hasta 300 Wh/kg , superando fácilmente el límite de densidad energética de las baterías de iones de litio líquidos.

Es un hecho indiscutible que las baterías de estado sólido superan a las de ión-litio líquido en todas las latitudes, pero no es difícil encontrar el punto común de las baterías de estado sólido en los calendarios de las grandes empresas automovilísticas: la comercialización es demasiado larga, y 2030 es la estimación más optimista.

Centrémonos aquí en el Grupo Bollore, el único grupo francés que ha logrado hasta ahora una producción en serie en el campo de las baterías eléctricas.

El Grupo Bollore es una empresa incluida en la lista Fortune 500 y controlada en su totalidad por la famosa familia francesa Bollore. Es una de las instituciones con más historia y mayor capacidad de I+D en el campo de las baterías de estado sólido.

En octubre de 2011, el Grupo Bollore empezó a llevar baterías de estado sólido con una capacidad de 30 grados y fabricadas por BatScap en su coche eléctrico de desarrollo propio "Bluecar" y en su autobús eléctrico "Bluebus". Estos vehículos se comparten en París y sus suburbios, Francia. forma de servicio. Hasta el cierre en 2019, los 2.900 vehículos eléctricos de batería de estado sólido han prestado servicio a casi 200.000 usuarios, con un uso diario de unos 18.000.

El Grupo Bollore es la primera empresa que comercializa con éxito baterías de estado sólido a gran escala, pero la capacidad de este paquete de baterías de estado sólido es de sólo 30 grados, y la densidad energética es de sólo 100 Wh/kg, que es sólo la mitad de la de las baterías líquidas de iones de litio.

El problema al que se enfrentan las baterías de estado sólido de Bollore es exactamente el mismo que deben abordar todos los fabricantes de baterías de estado sólido: la diferencia entre el interior y el exterior del laboratorio.

En noviembre, QuantumScape, una empresa estadounidense de baterías de estado sólido con un valor de mercado superior al de Ford Motor, anunció que una célula de batería prototipo mantenía más de 80% de su capacidad inicial tras 800 ciclos (100% de profundidad de descarga).

Pero el sitio de investigación de inversiones Seeking Alpha dijo en un informe público que las baterías de QuantumScape eran "demasiado pequeñas para ser probadas fuera del laboratorio".

Seeking Alpha cree que es muy, muy difícil que las baterías de estado sólido alcancen las funciones de velocidad y temperatura requeridas en escenarios reales fuera del laboratorio, tan difícil que nadie lo ha conseguido. "Es posible que nunca alcancen el rendimiento anunciado", afirma Seeking Alpha.

El fundador y consejero delegado de QuantumScape, Jagdeep Singh, contraatacó diciendo: "El informe de Seeking Alpha parece escrito por alguien que no sabe nada de baterías".

Entonces, ¿cuáles son los factores fundamentales que hacen que las baterías de estado sólido sigan en la fase de investigación científica durante mucho tiempo y se queden a las puertas de la producción comercial en serie?

Volver a la esencia de las pilas de estado sólido, los electrolitos de estado sólido, puede despejar la niebla.

Actualmente existen tres sistemas principales de materiales electrolíticos en estado sólido: polímeros, óxidos y sulfuros.

Se trata de tres vías de materiales con creencias completamente distintas. Las empresas europeas y estadounidenses eligen los sistemas de óxidos y polímeros, y las japonesas y coreanas prefieren los de sulfuros.

Las ventajas de los sistemas poliméricos son su elevada conductividad iónica a altas temperaturas y su facilidad de procesamiento. Sin embargo, su conductividad iónica es extremadamente baja a temperatura ambiente, lo que limita mucho su desarrollo.

La batería de estado sólido de la marca francesa Bolloré es el producto del sistema de polímeros. Un acontecimiento absurdo es conseguir que su propio coche eléctrico funcione normalmente a temperatura ambiente.

El Grupo Bolloré ha equipado especialmente cada vehículo con un calefactor que calienta el sistema de la batería entre 60 y 80°C antes del arranque. Si el calefactor está parado durante mucho tiempo, no puede desconectarse, y la tecnología en ese momento no puede realizar el arranque anticipado a distancia.

La ventaja del sistema de óxido es que tiene un buen rendimiento integral. Entre ellos, los productos de película fina tienen requisitos estrictos en cuanto a tecnología de proceso, y son muy difíciles de producir en términos de coste y producción a gran escala. No son adecuados para vehículos eléctricos con gran capacidad de producción. Los productos sin película delgada son actualmente las soluciones de baterías para vehículos eléctricos más populares, y QuantumScape cree firmemente en esta línea.

La ventaja del sistema de sulfuro es que tiene una conductividad iónica comparable a la de un electrolito líquido, y tiene un alto grado de soporte de carga rápida. Es el ganador de que los vehículos eléctricos puedan sustituir rápidamente a los de combustible.

Es la vía técnica elegida por las empresas japonesas y coreanas Toyota, Honda, Samsung y el gigante chino de las baterías CATL. Sin embargo, el progreso de desarrollo del sistema de sulfuro es el más preliminar, y el riesgo de no poder comercializar la producción en masa es también el más alto.

Las baterías líquidas de iones de litio, principal propulsor del desarrollo del mundo contemporáneo, no han cambiado sustancialmente su principio científico desde su aparición. El debut de las baterías de estado sólido ha sacudido sus antaño inquebrantables cimientos. Lo único que la perturba es la producción en masa de Xingchenhai.

Cambiar de carril o perder

Las estadísticas del Instituto de Investigación de Baterías de Litio Qiqi, una institución de investigación profesional en la industria de las nuevas energías, muestran que la capacidad mundial instalada de baterías de potencia en los diez primeros meses de este año fue de 225GWh, lo que supone un aumento interanual de 116,1%.

Las diez primeras empresas son CATL, LG New Energy, Panasonic, BYD, SKI, Samsung SDI, AVIC (China Aviation Lithium), Guoxuan Hi-Tech, AESC y Honeycomb Energy, con una cuota de mercado conjunta de 92,2%.

Cinco de ellas son CATL, BYD, AVIC (AVIC Lithium), Guoxuan Hi-Tech y Honeycomb Energy. La pérdida del campo de batalla de las baterías de iones de litio líquidos ha permitido a las empresas estadounidenses y japonesas saltarse la etapa actual y tirar mucho dinero en otra vía: las baterías de estado sólido.

Ouyang Minggao, académico de la Academia China de Ciencias, dijo una vez en el Foro China Electric Vehicle 100 de 2019: "Para hacer frente al auge de la industria de baterías en China y Corea del Sur, Japón ha estado desarrollando la próxima generación de baterías de estado sólido desde 2017, y ha invertido muchos gastos en I+D.

Estados Unidos y Europa también están poniendo todo su empeño en desarrollar una nueva generación de baterías de estado sólido para ir más allá. Aunque la industria china de baterías ha logrado ventajas temporales, la presión de la competencia internacional es enorme, y necesita ponerse totalmente a la altura de la tecnología punta de las baterías de estado sólido. "

Este año, Ouyang Minggao volvió a expresar opiniones similares en su discurso inaugural sobre "Tecnología y mercado de vehículos de nueva energía 2021 y tendencias a medio y largo plazo".

"Japón y otros países están desarrollando vigorosamente la próxima generación de baterías de estado totalmente sólido, y todavía hay una brecha entre las marcas chinas en este sentido". Según Ouyang Minggao, "la tecnología de las baterías totalmente de estado sólido debe industrializarse y tener un impacto importante en la estructura del mercado, lo que se calcula que llevará unos 10 años". "

En cuanto al calendario, Ouyang Minggao dio su propia predicción: para 2025, aparecerá la primera generación de baterías de estado sólido con una energía específica aproximadamente equivalente a la actual batería de iones de litio de electrolito líquido.

Después de 2030, habrá una segunda generación de baterías totalmente de estado sólido que utilizarán nuevos materiales positivos y negativos, la energía específica aumentará a 500 vatios-hora por kilogramo, y habrá baterías de litio-azufre y baterías de metal-aire de alta energía específica.

"Las baterías de iones de litio existentes, incluidas las híbridas sólido-líquido, seguirán dominando hasta 2030", concluye Ouyang Minggao.

"Global Solid State Battery Market 2017-2021" apoya la especulación de Ouyang Minggao de que el mercado mundial de baterías de estado sólido crecerá a una tasa de crecimiento anual compuesta de 72,33% durante 2017-2021.

En la actualidad, el mercado chino de vehículos de nueva energía ha superado sin problemas el periodo cognitivo y ha entrado en un periodo de rápida expansión. Se calcula que las ventas nacionales de vehículos de nueva energía serán de unos 5 millones en 2022, con una cuota de mercado de más de 20%; de 7 a 10 millones en 2025; de 17 a 20 millones en 2030.

El aumento del número de vehículos eléctricos en China ha estimulado directamente el crecimiento exponencial de la producción de baterías para vehículos. Se espera que supere los 2.000 millones de kWh en 2025, los 7.000 millones en 2030 y los 15.000 millones en 2035.

Para cualquier empresa automovilística y fabricante de baterías de estado sólido, ésta es una oportunidad que no se puede desaprovechar. El mercado ha preincorporado el potencial, y ahora es un momento crítico para poner a prueba la sabiduría.