Bateries d’estat sòlid, ja són ací?

Fa molts anys que es parla de les bateries d’estat sòlid. Aquesta tecnologia de bateries permetria de resoldre molts dels inconvenients de les actuals. Minimitza el risc d’incendi, n’augmenta la vida útil, permeten càrregues més ràpides i ofereixen més densitat energètica. Això faria possibles vehicles amb una autonomia equivalent, i fins i tot superior, als de benzina, i carregar la bateria en molt pocs minuts, gairebé el mateix temps que dediquem a omplir el dipòsit de combustible. Tanmateix, tot i les promeses, és una tecnologia que no arribava mai. Fins ara, perquè la Xina just acaba de començar la cursa per a fabricar-les en massa. Actualment, ja té capacitat de fabricació de bateries d’estat sòlid de 10 GWh (petita, pels estàndards actuals), i amb plans de multiplicar-la per deu l’any que ve. Mentrestant, als EUA i la Unió Europea empreses emergents també han anunciat plans per a començar a fabricar-ne a gran escala. Tot seguit analitzem l’estat de la qüestió i si les bateries d’estat sòlid són realment necessàries per a avançar en l’electrificació.

Com funciona una bateria de liti?

Les bateries de liti són compostes per piles (cell, en anglès) que poden tenir diverses formes, generalment cilíndriques o prismàtiques. Com les piles que tenim a casa, tenen un pol positiu, anomenat càtode, i un pol negatiu, anomenat ànode. Dins la pila, entre l’ànode i el càtode hi ha un separador que evita que hi hagi un curtcircuit elèctric intern. A més, les piles contenen un líquid, l’electròlit. Quan una bateria de liti és carregada, el liti amb els seus electrons són a l’ànode. Per generar electricitat, per exemple, per encendre un llum o moure un cotxe elèctric, els electrons es desplacen de l’ànode cap al càtode pel circuit elèctric extern. Internament, els ions de liti, que ara no tenen l’electró, es desplacen de l’ànode cap al càtode per l’electròlit líquid, i travessen el separador, que és permeable i els deixa passar. Quan la bateria és descarregada, tant els electrons com els ions de liti són tots al càtode. Per recarregar-la, hem de fer el trajecte invers.

L’ànode i el càtode poden ser composts per materials diversos, i és on actualment hi ha molta recerca. Avui dia, l’ànode és compost generalment per carboni en forma de grafit. El carboni actua de magatzem dels ions de liti. Darrerament, s’ha començat a fer servir silici en compte de carboni perquè permet d’emmagatzemar més ions de liti en menys espai, i augmenta la densitat energètica de les piles –això fa que els cotxes tinguin més autonomia, o que els avions elèctrics siguin possibles. Al càtode, els materials més comuns són el níquel, molibdè (o alumini) i cobalt, en el cas de les bateries NMC, o el ferro i el fosfat, en el cas de les bateries LFP. Les dues menes de bateries de liti més comunes a hores d’ara. Generalment, els materials del càtode són els que determinen el cost de les bateries. Per això, les bateries LFP són més barates que les NMC, atès que el ferro és més econòmic que no pas el níquel o el cobalt. Per abaratir-ne encara més el cost, s’experimenta amb materials més comuns, com ara el sofre.

Un segon front de recerca és la composició del líquid, de l’electròlit, per on es mouen els ions de liti, que generalment és una dissolució salina o orgànica. Se’n miren composicions diferents perquè els ions es puguin moure més de pressa sense que la bateria es degradi, i abaixar així el temps de càrrega. Cal tenir en compte que la velocitat de càrrega de les bateries es mesura en coulombs (C). Així, una bateria de 50 kWh que es carregui a 1C, vol dir que carregarà els 50 kWh en una hora. Si tarda mitja hora, haurà carregat a 2C. I si s’hi està un quart d’hora, haurà carregat a 4C. L’objectiu de la indústria és poder carregar en tants coulombs com sigui possible i fer que un cotxe ompli la bateria en molt pocs minuts. Però topa amb problemes de temperatura i de degradació, que alteren la durabilitat de la bateria.

Les bateries d’estat sòlid representen diverses millores en relació amb les tradicionals (imatge: Quantum Scape).

Què les fa diferents de les normals?

Les bateries d’estat sòlid funcionen igual, però tenen canvis interns significatius. El més important, i pel qual reben el nom, és que no tenen cap líquid. L’electròlit és sòlid, generalment ceràmic, i alhora fa de separador. És a dir, per una banda, separa l’ànode i el càtode, i evita que hi hagi cap curtcircuit, i, per una altra, els ions de liti l’usen per moure’s entre el càtode i l’ànode. A més, com que no és líquid, és més segur si hi ha cap perforació accidental. A les bateries tradicionals, això fa que el líquid es perdi, per la qual cosa la pila deixa de funcionar del tot i hi pot haver un incendi. En el cas de les d’estat sòlid, continuen funcionant igualment, atès que solament danya la zona del forat i la resta del material continua inalterat i a lloc.

Aquest separador-electròlit sòlid també disminueix la degradació de les bateries per formació de dendrites, una mena d’agulles que van creixent a cada càrrega, i que poden acabar punxant i travessant el separador en el cas de les bateries de liti tradicionals. A les bateries d’estat sòlid, el separador ceràmic és resistent a les dendrites, que no el poden travessar. I això permet un segon canvi radical en relació amb les bateries tradicionals: que l’ànode sigui buit, no contingui res. El liti viatja a l’ànode i s’hi acumula en forma metàl·lica directament. Així, quan la bateria és carregada, l’ànode és compost exclusivament per liti. I quan es descarrega, resta buit, sense res. Això no es pot fer en les tradicionals, perquè es generarien encara més dendrites. D’aquesta manera, prescindint del grafit o el silici a l’ànode, s’aconsegueix una de les propietats estrella de les bateries d’estat sòlid: augmentar-ne la densitat energètica. També hi ha inconvenients. Una pila d’estat sòlid s’expandeix i comprimeix molt més que no pas les tradicionals, atès que l’ànode passa d’estar ple de liti a estar-ne buit. És a dir, cal deixar més espai buit entre les piles que conformen la bateria perquè es pugui fer aquesta expansió-compressió.

D’una altra banda, per l’estructura interna, les bateries d’estat sòlid suporten més bé la temperatura de les càrregues ultraràpides, cosa que n’allarga la vida útil. Per aquest motiu, la indústria també opta per una tecnologia híbrida com a solució més ràpida d’adoptar, les bateries d’estat semisòlid. Tal com hem vist, a l’estat sòlid tenim un separador ceràmic que actua de l’electròlit sòlid. A les d’estat semisòlid es conserva l’electròlit líquid per on “neden” els ions de liti, com a les tradicionals. Però tenen un separador porós que és resistent a les dendrites, cosa que permet de tenir un ànode buit, on el liti es pot acumular en forma metàl·lica a cada cicle de càrrega-descàrrega. I, per tant, pot tenir més densitat energètica. Un últim detall: tant les bateries d’estat sòlid com les semisòlides, permeten diverses químiques per al càtode i és d’esperar que facin servir els actuals o alguna variació. També, i segons les empreses que en desenvolupen, la maquinària existent de fabricació de bateries es podria adaptar fàcilment a aquesta nova generació.

La Xina, al capdavant de la producció industrial de bateries d’estat sòlid

Fa dues dècades, pel cap baix, que es desenvolupen bateries d’estat sòlid. Els entrebancs a solucionar s’han centrat a trobar el material sòlid que pogués actuar d’electròlit, la durabilitat, la dificultat de fabricar-les a gran escala i el cost. Els dos primers punts hi ha unes quantes empreses que comencen a solucionar-los, malgrat que encara hi ha aspectes tècnics a millorar. Ara resta el darrer front, poder fabricar-ne a gran escala a un preu competitiu. La Xina, la superpotència en bateries, fabricant del 80% de les que es fan al món, ja ha entrat en aquesta fase. Els analistes calculen que el gegant asiàtic disposa d’una fabricació de bateries d’estat sòlid de 10 GWh anuals. Això és una quantitat molt petita, perquè equival a uns 15.000 cotxes elèctrics, i a la Xina actualment se’n fabriquen més de 10 milions l’any. Però l’objectiu és que s’arribi a 128 GWh el 2025 i a 509 GWh el 2030, amb una quota de mercat al voltant del 8%.

Cal tenir en compte que aquesta mena de prediccions en el passat han estat superades de seguida. Quan una tecnologia té èxit, tothom s’afanya a adoptar-la. Ara per ara, el cost serà l’inconvenient principal per a les bateries d’estat sòlid, atès que duplicaria (o més) el cost de les tradicionals. Per aquest motiu, els analistes apunten que la Xina se centrarà fins l’any que ve a produir bateries d’estat sòlid per a sectors com ara l’aeroespacial, la salut i els vehicles de luxe, en què el preu no és tan important com tenir característiques tècniques més bones. Després del 2025, s’espera que s’expandeixin a productes electrònics (com ara mòbils) i drons, atès que incorporen bateries petites i el sobrecost no acaba essent proporcionalment tan important. A partir del 2027, a mesura que el cost hagi baixat, la Xina sembla que podrà fabricar en massa bateries d’estat sòlid per ser incorporades a vehicles i emmagatzematge estacionari –les bateries emprades a les cases i les centrals de generació elèctrica.

Tanmateix, com dèiem, aquestes dates es poden escurçar. Així, ja hi ha fabricants xinesos de cotxes que han anunciat la intenció de produir bateries d’estat sòlid amb densitats de 350-500 Wh/kg a partir de l’any que ve, i que esperen d’arribar a densitats que superin els 1.300-1.500 Wh/kg el 2035. Respecte de les bateries d’estat semisòlid, segons els analistes, els fabricants xinesos ja estan preparats per fabricar-ne en massa durant l’any, fins i tot amb químiques basades en sofre. S’estima que el cost de fabricació és al voltant de 100 dòlars/kWh, molt més que no les de liti actuals: el cost de les LFP ara com ara és d’uns 50 dòlars/kWh.

Els EUA i la UE, endarrere

La Xina encapçala el principi de la fabricació en massa de bateries d’estat sòlid, però no és l’única que hi treballa. Així, als EUA, la companyia emergent QuantumScape fa anys que en desenvolupa, i sembla que ja és en disposició de començar a fabricar-ne a gran escala, després d’haver solucionat els problemes tècnics. Ara per ara, les seves bateries d’estat sòlid es degraden tan sols d’un 5% amb 1.000 cicles de càrrega i descàrrega amb càrregues ultraràpides (4C). Això en situa la vida útil en 4.000-5.000 cicles (o més), en la línia de les bateries LFP, conegudes per durar molt. En cotxes, això representa entre 1,5 i 2,5 milions de quilòmetres. QuatumScape també ha assolit densitats energètiques de 450 Wh/kg, al voltant del doble de les tradicionals de liti. Fabricants com ara el grup VW ja en proven els prototips de bateries.

Sense sortir dels EUA, a la Universitat Harvard (Boston, Massachusetts) han desenvolupat bateries d’estat sòlid amb una vida útil de 6.000 cicles, i que es poden carregar en tan sols 10 minuts, amb una velocitat de més de 4C. A Europa, els holandesos de LionVolt acaben d’adquirir una fàbrica a Escòcia per començar la fabricació pilot de bateries d’estat sòlid, amb velocitats de càrrega i densitats energètiques molt semblants a les de QuantumScape. Així com els nord-americans, prometen que les línies de fabricació actuals es poden adaptar fàcilment i ràpidament a la nova generació de bateries. Tot plegat mostra que hi ha unes quantes empreses per tot el món que ja han solucionat les dificultats tècniques de les bateries d’estat sòlid, i ara se centraran a fabricar-ne a gran escala.

Realment calen les bateries d’estat sòlid per a fer la transició energètica?

Les bateries d’estat sòlid representen una millora en relació amb les actuals. Però els experts acostumen a coincidir que no són necessàries. Fa dues dècades, quan es van començar a desenvolupar, sí que representaven un salt endavant espectacular. Però les bateries tradicionals també han millorat. Així, les densitats energètiques que mostren les primeres bateries d’estat sòlid comercials ja les aconsegueixen les tradicionals gràcies als ànodes de silici. Però és cert que les d’estat sòlid tenen el potencial de triplicar aquest valor, fet inassumible per les d’electròlit líquid.

Respecte de la velocitat de càrrega, els xinesos de CATL, principal fabricant de bateries del món, l’estiu passat va anunciar que les seves bateries LFP podien carregar 400 quilòmetres d’autonomia en solament 10 minuts. Cal tenir en compte que aquest quilometratge és segons el cicle xinès, que tots els analistes coincideixen a qualificar de molt optimista. Més aviat correspondria a uns 250-300 quilòmetres d’autonomia segons el cicle europeu WLTP. En termes pràctics i per a un català, això vol dir que en tan sols 10 minuts podem tornar a casa sense cap inconvenient del nostre destí de cap de setmana, si és que no hem pogut carregar el cotxe durant la nit, mentre era aparcat. A més, l’anunci de CATL és important perquè és amb la química LFP, que tradicionalment no oferia velocitats de càrrega ràpides.

Si ajuntem que el preu de les LFP ha baixat molt i que les noves generacions com les que ja ven el fabricant BYD no s’incendien, es pot concloure que les bateries d’estat sòlid aporten millores importants, però que no són necessàries. Els vehicles elèctrics actuals ja incorporen bateries que superen la vida útil dels vehicles de combustió, i amb prou autonomia i velocitat de càrrega per al nostre dia a dia.