El anuncio realizado por Toyota de que había logrado un "gran avance tecnológico" para resolver los problemas de durabilidad y "una solución para los materiales" de una batería de estado sólido (SSB) que alimentará los vehículos eléctricos en julio de 2023 ha desencadenado otra oleada de interés por las SSB, además de los continuos esfuerzos de empresas como BMW, CATL, Ford, General Motors, Honda, Hyundai, LG, Mercedes-Benz, Nissan, Panasonic, Samsung, Volkswagen, etc.

Las SSB han tenido una importancia estratégica en múltiples países y regiones. Por ejemplo, Alemania destinó 1.000 millones de euros a apoyar a un consorcio que pretende producir células de baterías para coches eléctricos y tiene previsto financiar un centro de investigación para desarrollar baterías de estado sólido de nueva generación. En el Reino Unido, un proyecto de colaboración de 30 meses, "PowerDrive Line", desarrolla una batería de estado sólido a base de litio para VE y PHEV y establece una línea prepiloto para esta tecnología de celdas SSB. El gobierno japonés ha creado el Consortium for Lithium-Ion Battery Technology and Evaluation Center (Libtec) para impulsar la investigación sobre baterías de estado sólido. En Corea del Sur, los tres mayores fabricantes de baterías, SK Innovation, LG Chem y Samsung SDI, promueven la investigación conjunta en el campo de las baterías de nueva generación, incluidas las de estado sólido. Las empresas estadounidenses de SSB han atraído inversiones de proveedores mundiales de baterías, fabricantes de automóviles y capitales de riesgo, con continuos avances.

Al sustituir el electrolito líquido orgánico inflamable por el electrolito de estado sólido (SSE), las SSB permiten mejorar la seguridad y la tolerancia al abuso. Además, el SSE puede combinarse con un ánodo metálico de litio y un cátodo de alto voltaje, lo que puede aumentar la densidad energética. Las características especiales de los SSB permiten conectarlos en serie y en paralelo dentro de una célula, lo que da lugar a diseños de empaquetado flexibles. Además, el innovador diseño del paquete permite una mayor eficiencia de ensamblaje, lo que contribuye a aumentar aún más la densidad energética y a reducir el coste del sistema.

Estas propuestas de valor únicas han llevado a investigadores académicos, desarrolladores de baterías, fabricantes de equipos originales de automoción, inversores y proveedores de materiales y componentes a interesarse por las BLU. Además, la fabricación convencional de baterías de iones de litio ha estado tradicionalmente dominada por los países del este asiático, con notables contribuciones de Japón, China y Corea del Sur. Sin embargo, se está produciendo un cambio significativo, ya que Estados Unidos y varias naciones europeas están compitiendo en la carrera, reorientando efectivamente la creación de valor añadido fuera de Asia Oriental, con un énfasis estratégico en el establecimiento de instalaciones de fabricación de baterías más cerca de los mercados de aplicación.

Este panorama en evolución está marcado por la exploración de nuevos materiales y componentes, y la reevaluación de los procesos de fabricación. Todo ello ofrece la posibilidad de reorganizar la cadena de suministro de baterías. Tanto desde el punto de vista tecnológico como empresarial, el desarrollo de las SSB ha surgido como parte de la estrategia de la próxima generación de baterías. Se ha convertido en un esfuerzo mundial caracterizado por intereses regionales y un importante apoyo gubernamental. Habrá oportunidades con nuevos materiales, componentes, sistemas, métodos de fabricación y conocimientos técnicos.

Principales actores mundiales de las baterías de estado sólido. Fuente: IDTechEx

Comercialización de las SSB

Las SSB basadas en polímeros ya están disponibles en el mercado, como en el caso del Daimler eCitaro. Los BLU semihíbridos/semihíbridos están en fase de prueba, probando continuamente sus muestras para los fabricantes de equipos originales. Mientras tanto, las baterías cerámicas de estado sólido (ASSB) siguen en fase de desarrollo. La mayoría de las ASSB comercializadas y las que se comercializarán en breve son baterías semisólidas híbridas, lo que significa que pueden contener pequeñas cantidades de líquido o gel. En sentido estricto, no todas son baterías de estado sólido (ASSB). Desde el punto de vista del usuario final, no le importa qué tecnología se utilice, siempre que las baterías le proporcionen las prestaciones que necesita. Por lo tanto, las tecnologías semisólidas pueden actuar como una buena transición entre la tecnología SSB basada en polímeros ya comercializada y la futura tecnología SSB basada en sulfuros. A medida que las tecnologías vayan madurando, podremos pasar a las SSB sin problemas.

Hoja de ruta del desarrollo de la tecnología de las pilas SSB. Fuente: IDTechEx

Como mayor mercado potencial, la automoción es el objetivo de casi todos los proveedores de SSB. Mientras tanto, las aplicaciones especializadas que requieren más tolerancia al abuso y son menos sensibles al precio pueden ser los frutos más maduros para las SSB.

Tamaño del mercado potencial de las baterías de estado sólido. Fuente: IDTechEx

Nuevos esfuerzos para la comercialización del SSB
El anuncio de Toyota volvió a subrayar la importancia del desarrollo continuo de materiales. Por lo tanto, es necesario seguir explorando materiales, optimizando dispositivos y estudiando los mecanismos de degradación de las baterías. Mientras tanto, el desarrollo debe centrarse también en la validación de celdas y el diseño de sistemas. Algunos ejemplos son el sistema célula-paquete (CTP), los sistemas de gestión térmica y los diseños mecánicos.

El CTP no es un concepto nuevo, y se puede encontrar en diseños basados en baterías de iones de litio como la batería blade de BYD y los diseños CTP de CATL. El concepto CTP cobrará más importancia debido a la mayor seguridad y a la posibilidad de apilamiento bipolar de las celdas SSB. La seguridad de las baterías se traduce en un diseño más flexible del pack y en un menor número de componentes electrónicos utilizados en los módulos/packs de baterías. Por ejemplo, el diseño bipolar permite un apilamiento más estrecho y una mayor densidad energética, lo que lleva a una densidad energética potencialmente mayor y un coste comparable a nivel de sistema.

El sistema de gestión térmica no puede eliminarse en el caso de las SSB, pero puede funcionar de manera que se dirija a diferentes zonas de funcionamiento seguro. Por lo tanto, la temperatura ideal requerida para las SSB puede diferir de la de las baterías de iones de litio.

Además, hay que esforzarse más en la utilización de los equipos, la huella de la fábrica, el establecimiento de la cadena de suministro y la mejora del rendimiento de la fabricación.

Autor: Dr. Xiaoxi He, Director de Investigación de IDTechEx