Baterías de estado sólido: Que son, Tipos, Ventajas

En este artículo exploraremos qué son las baterías de estado sólido, cómo funcionan, sus ventajas y retos, y sus posibles aplicaciones. Estas pilas están revolucionando la industria del almacenamiento de energía. Tanto si eres un entusiasta de la tecnología, un científico o simplemente sientes curiosidad por los últimos avances en tecnología de baterías, este artículo te daremos la información más completa sobre este tema.

Las pilas de estado sólido ofrecen una serie de ventajas que podrían revolucionar el sector del almacenamiento de energía. La más notable es que su electrolito sólido elimina el riesgo de fugas o combustión en comparación con las baterías tradicionales de iones de litio.

🔋¿Qué son las baterías de estado sólido?

Las baterías de estado sólido también conocidas como "baterías de polímero sólido", "baterías de cerámica sólida" o "baterías de vidrio sólido" son una tecnología nueva y apasionante que promete revolucionar la forma en que alimentamos nuestros dispositivos. Estas pilas utilizan un electrolito sólido en lugar de uno líquido, lo que las hace más seguras, eficientes y duraderas que las pilas tradicionales.

Esta nueva tecnología se compone principalmente de vidrio/cerámica. En lugar de electrolitos líquidos, utiliza vidrio como electrolito sólido que conecta el ánodo y el cátodo.

🔍¿Cómo funcionan las baterías de estado sólido?

Cuando la celda está cargada, las partículas de litio se mueven desde el cátodo, atraviesan la estructura de los átomos que componen el separador y luego se insertan entre el separador y el contacto eléctrico del ánodo, formando una capa sólida de litio puro. De esta forma, el ánodo se compone únicamente de partículas de litio y, por lo tanto, tiene un volumen menor que el ánodo de la tecnología de iones de litio, que contiene la estructura de grafito.

Además, estas baterías pueden funcionar a temperaturas más altas, lo que las hace adecuadas para entornos extremos. En esencia, las pilas de estado sólido son similares a las pilas de iones de litio tradicionales, ya que utilizan un cátodo, un ánodo y un electrolito para almacenar y liberar energía.

Sin embargo, lo que las diferencia es el uso de un electrolito sólido en lugar de un líquido o gel. Esto permite un transporte de iones más rápido y una mayor densidad de energía, lo que se traduce en fuentes de energía más duraderas y eficientes.

Aunque las pilas (baterías) de estado sólido aún se encuentran en las primeras fases de desarrollo, los investigadores están trabajando duro para encontrar formas más eficientes y rentables de fabricarlas.

⚙️Estructura de una batería de estado sólido

La estructura interna de una pila de estado sólido es muy diferente porque todos sus elementos como su nombre lo indica son "sólidos". Si en las baterías de litio convencionales el electrolito es un líquido, las pilas de estado sólido están formadas por:

• Un cátodo (o electrodo positivo): que se puede fabricar usando los mismos compuestos que una batería de iones de litio (por ejemplo, LFP, NMC, LMO, etc.)
• Un separador: típicamente cerámico o de polímero sólido, que también funciona como electrolito.
• Un ánodo: hecho de litio metálico (litio puro).

✅¿Cuáles son las ventajas de las baterías de estado sólido?

Mayor densidad de energía: Su incomparable densidad energética les permite almacenar más energía que las baterías tradicionales de iones de litio, lo que permite un uso prolongado sin necesidad de cargas frecuentes.

Mayor seguridad: El electrolito no inflamable aumenta la seguridad, reduciendo el riesgo de explosiones o incendios.

Construcción compacta y ligera: Debido a su perfil delgado y su peso ligero permiten utilizarlas en toda una serie de dispositivos pequeños, como teléfonos y ordenadores portátiles. Su capacidad de diseño creativo ha abierto nuevas posibilidades para la integración de productos.

Menor impacto ambiental: Las pilas de estado sólido se fabrican con materiales reciclables y no tóxicos, por lo que tienen un impacto medioambiental mucho menor que las pilas tradicionales. Además, tienen mayor densidad energética, esto significa que se necesitan menos baterías grandes y caras.

Mayor vida útil: La larga vida útil de las baterías sólidas las hace adecuadas para diversos usos en electrónica de consumo, vehículos eléctricos y sistemas de energía renovable, todo ello reduciendo el coste de propiedad. Esto quiere decir que puede cargarse con más frecuencia sin sacrificar el rendimiento, además el tiempo de carga se reduce, estamos hablando de minutos en lugar de horas.

Mayor capacidad: El vidrio (cerámica) permite un mayor rendimiento de cátodos y ánodos de metales alcalinos. Esto reduce el esfuerzo de fabricación de las células y triplica su densidad energética

Costos más bajos: Los costos pueden bajar significativamente. Un electrolito de vidrio permite sustituir el litio por sodio económico. Esta materia prima está disponible en cantidades casi ilimitadas, por ejemplo, en agua de mar.

Funcionamiento seguro: Con el vidrio se reduce el riesgo de cortocircuitos o incluso incendios. A diferencia de las baterías de iones de litio actuales utilizan electrolitos líquidos, lo que puede provocar un incendio o una explosión.

Resistente al frío: Los electrolitos de vidrio sólido pueden funcionar incluso en condiciones de frío extremo. Estas baterías también se pueden usar en automóviles en regiones frías de hasta -20 °C.

📚Tipos de baterías de estado sólido

1.-Baterías de electrolito sólido polimérico: Estas baterías utilizan un electrolito sólido polimérico como conductor iónico en lugar de un electrolito líquido. Tienen una alta densidad energética, una larga vida útil y son seguras.

2.-Baterías de sulfuro de litio: Esta tecnología utiliza una capa de sulfuro de litio como electrolito sólido. Tienen una vida útil más larga que las baterías convencionales de iones de litio, además de una alta densidad energética.

3.-Baterías de óxido de litio: Utilizan un electrolito sólido de óxido de litio. Tienen una alta densidad energética y una vida útil más larga que las baterías convencionales de iones de litio.

4.-Baterías de cerámica: Estas baterías utilizan un electrolito sólido de cerámica y un electrodo de metal líquido. Tienen una alta densidad energética y son capaces de funcionar a altas temperaturas.

5.-Baterías de metal de litio: Utilizan un electrodo de metal de litio y un electrolito sólido. Tienen una alta densidad energética y son capaces de cargar y descargar rápidamente.

🕵🏻¿Cuándo llegarán las baterías de estado sólido?

Se espera que estén disponibles en los próximos 10 años. Se espera que para el año 2024, ya esté disponible la recarga de 150 km en solo 5 minutos.

Algunos fabricantes de automóviles y empresas de tecnología han anunciado planes para lanzar vehículos eléctricos equipados con baterías de estado sólido en la segunda mitad de la década de 2020 o a principios de 2030.

Sin embargo, la producción a gran escala de baterías de estado sólido y su integración en vehículos todavía se encuentra en las primeras etapas de desarrollo. Por lo que se necesitan más avances tecnológicos y mejoras en la fabricación para hacerlas asequibles y escalables en el mercado masivo.

¿Cuáles son los retos de las baterías de estado sólido?

Las baterías de estado sólido han despertado interés por su potencial para revolucionar la industria del almacenamiento de energía. Sin embargo, aún quedan retos por superar antes de que puedan adoptarse de forma generalizada.

Uno de los principales obstáculos es el coste de producción, que es superior al de las baterías tradicionales de iones de litio debido a la incorporación de materiales y procesos novedosos. Para que las pilas de estado sólido sean más competitivas, hay que reducir el coste de producción.

Otra limitación importante de las pilas de estado sólido es su sensibilidad a la temperatura. Son más vulnerables a los cambios de temperatura que sus homólogas de iones de litio, lo que puede reducir su rendimiento y vida útil.

Para solucionar este problema, los investigadores están estudiando nuevos materiales y diseños que puedan ayudar a las pilas de estado sólido a resistir temperaturas extremas. La seguridad también es una de las principales preocupaciones de las pilas de estado sólido.

🔋 ¿Cuáles son las baterías más eficientes?

Actualmente, las baterías más eficientes disponibles en el mercado son las baterías de iones de litio y azufre. Las baterías de litio son utilizadas en la mayoría de los coches eléctricos debido a que tienen una alta densidad de energía, un bajo mantenimiento, pero sobre todo una larga vida útil.

También son utilizadas en muchos dispositivos electrónicos, como en ordenadores portátiles y teléfonos móviles, debido a su alta capacidad de carga y descarga y su baja tasa de autodescarga.

Aunque hay investigaciones y desarrollos en curso para mejorar las baterías existentes y desarrollar nuevas tecnologías de baterías, las baterías de iones de litio siguen siendo las más eficientes hasta el momento.

Por su parte las baterías de azufre están siendo consideradas como una posible solución para reemplazar las baterías de iones de litio, debido a que ofrecen una mayor densidad de energía y un menor costo de producción.  Sin embargo, aún se encuentran en etapa de investigación y desarrollo.

¿La batería de Estado Solido y la batería de Electrolito de Cerámico son lo mismo?

La respuesta es No, la batería de electrolito de cerámico y la batería de estado sólido son dos tecnologías de baterías diferentes.

La batería de electrolito de cerámico "Ceramic Electrolyte Batteries" (CEB, por sus siglas en inglés) también llamadas "Baterías de estado sólido cerámicas" utiliza un "Electrolito Cerámico" en lugar de los electrolitos líquidos o gelatinosos que se encuentran en las baterías convencionales.

El electrolito cerámico proporciona una mayor estabilidad química y térmica, lo que resulta en una mayor seguridad y una vida útil más larga para la batería. Sin embargo, las baterías de electrolito de cerámico aún se consideran una tecnología emergente y no están tan ampliamente disponibles como otras opciones.

Por otro lado, la batería de estado sólido es una tecnología en la que tanto el electrolito como los materiales de electrodo son sólidos en lugar de líquidos o gelatinosos. Estas baterías eliminan el uso de electrolitos líquidos, lo que las hace más seguras, más energéticamente densas y con un potencial para una mayor vida útil.

Se espera que las baterías de estado sólido superen algunas limitaciones de las baterías convencionales en términos de capacidad de energía, densidad, tiempo de carga y vida útil.

En resumen, aunque ambas tecnologías presentan mejoras en comparación con las baterías tradicionales, son conceptos distintos y se encuentran en diferentes etapas de desarrollo y disponibilidad en el mercado.

🚗¿Cuáles son las aplicaciones de las baterías de estado sólido?

Las baterías de estado sólido se perfilan como una tecnología revolucionaria en el sector del almacenamiento de energía. En la industria de los vehículos eléctricos, presentan la oportunidad de reducir el tamaño de las baterías manteniendo una alta densidad energética. Esto es especialmente beneficioso, ya que ampliaría la autonomía del vehículo y permitiría un uso más eficiente del espacio.

En el mercado de la electrónica de consumo, estas tienen una vida útil más larga que las baterías tradicionales de iones de litio, lo que significa que dispositivos como los teléfonos inteligentes y los ordenadores portátiles pueden recibir energía durante periodos más largos sin necesidad de sustituirlos.

Además, su mayor densidad energética ofrece un rendimiento más potente, lo que permite tiempos de carga más rápidos y una mayor duración. En el sector de las energías renovables, estas baterías tienen el potencial de revolucionar los sistemas de almacenamiento de energía.

Su mayor densidad energética permite un almacenamiento más eficaz de la energía procedente de fuentes como la solar y la eólica. Esto es especialmente importante en los sistemas a gran escala, ya que maximiza la eficiencia al tiempo que proporciona el espacio necesario.

⚡Autos eléctricos con batería de estado sólido

Las grandes empresas que se dedican a la fabricación de autos eléctricos ya están trabajando para incluir en sus autos esta tecnología. Por ejemplo, Mercedes-Benz informa que las primeras baterías de estado sólido, desarrolladas en conjunto con la empresa taiwanesa ProLogium, podrían usarse en modelos de producción seleccionados en la segunda mitad de la década.

Volkswagen trabaja con la empresa estadounidense QuantumScape, en la que la empresa con sede en Wolfsburgo posee la mayoría de las acciones. La puesta en marcha se considera uno de los contendientes más prometedores para el papel de pionero en pilas sólidas.

Por su parte, Ford y BMW se han asociado con los especialistas en baterías de estado sólido Solid Power. La empresa estadounidense quiere entregar las primeras células a los dos fabricantes de automóviles este año, pero inicialmente solo para pruebas de calificación. La producción en serie de las células está prevista para 2026.

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También se han dado a conocer los detalles técnicos de la batería. La densidad energética con un ánodo de silicio debería alcanzar los 390 Wh por kilogramo. Si se utiliza un ánodo de metal de litio en lugar de un ánodo de silicio, la célula tendrá incluso 440 Wh por kilogramo.

A modo de comparación, Northvolt, una empresa que opera en Europa y coopera con Volkswagen, tiene previsto sacar al mercado en 2025 baterías de litio-metal con electrolito líquido convencional y una densidad energética de 369 vatios-hora por kilogramo.

Por su parte, Toyota tiene previsto lanzar un vehículo híbrido equipado con una batería de estado sólido en la primera mitad de esta década. Otros grandes fabricantes de automóviles, como Honda y Nissan, también se apresuran a comercializar esta tecnología.

⏳¿Cuánto dura una batería de estado solido?

La vida útil de una batería de estado sólido es de poco más de 11,000 ciclos. Esto dependerá de varios factores, como la calidad de los materiales, la tecnología, el diseño etc...

Lo que sí, es que tendrán una vida útil mucho más larga que una batería de iones de litio que todos conocemos hasta ahora. Superando incluso los 10 años de vida. Cabe recordar que las baterías de estado sólido aún están en fase de desarrollo, y hasta ahora no hay una estimación exacta de su durabilidad.

💡Conclusión

Las baterías de estado sólido han surgido como una tecnología prometedora en el campo del almacenamiento de energía. Las ventajas de utilizar baterías de iones son numerosas, como una mayor densidad energética, una vida útil más larga y una mayor seguridad.

A pesar de los retos que aún hay que superar, como los costes de fabricación y la escalabilidad, las aplicaciones potenciales de las baterías de estado sólido son enormes. Desde vehículos eléctricos a dispositivos portátiles, esta tecnología tiene el potencial de revolucionar la forma en que alimentamos nuestras vidas.

A medida que continúen la investigación y el desarrollo, podemos esperar ver más avances e innovaciones en este campo. En conclusión, las baterías de estado sólido prometen transformar la forma en que almacenamos y utilizamos la energía.

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