bombo y esperanza para las baterías de estado sólido

Fuente: https://www.pv-magazine.com/

El entusiasmo y la esperanza por las baterías de estado sólido (SSB, por sus siglas en inglés) continúan creciendo a medida que las industrias, desde la automotriz hasta la de almacenamiento, apuestan fuerte por la tecnología. Los principales fabricantes de baterías y una lista de empresas emergentes están compitiendo para pasar del laboratorio a la fábrica. Sin embargo, la realidad de los SSB está en duda. Como informa Marija Maisch, la ventana de oportunidad para que la tecnología de hace décadas dé el próximo gran paso hacia la comercialización es ahora.

Es un momento de la verdad para docenas de empresas que trabajan en SSB a medida que su tecnología emerge de los laboratorios enclaustrados y llega a la planta de producción. Habiendo movilizado una gran inversión, los fabricantes de SSB ahora deben demostrar que no solo han resuelto los desafíos asociados con el uso de electrolitos sólidos, sino también el éxito a escala comercial. Si se prueban, las SSB estarán en condiciones de cumplir la doble promesa de mejorar el rendimiento y la seguridad en comparación con sus primos ubicuos llenos de líquido. “Cuando se trata de la viabilidad comercial de las SSB, por supuesto que debemos diferenciar entre las clases de tecnología: las SSB basadas en electrolitos poliméricos ya están en el mercado, pero las basadas en electrolitos de óxido y sulfuro se encuentran principalmente en la fase de prototipo.

Schmaltz y sus colegas desarrollaron una hoja de ruta en la que se examinaron las tres variantes de electrolito sólido más prometedoras y se compararon con los desarrollos anticipados en las baterías de iones de litio (LIB) de electrolito líquido. Sus resultados mostraron que los SSB deben demostrar mejoras significativas en el rendimiento en relación con los LIB de última generación para obtener una participación de mercado relevante. Además, tendrán que hacerlo rápido.

“Siempre hay una cierta ventana de oportunidad y siempre hay renuencia a cambiar a nuevas tecnologías. Todos los KPI para LIB están mejorando continuamente y pronto podría ser difícil aumentar los KPI [indicadores clave de rendimiento] de SSB, como la densidad de energía y la seguridad, lo suficiente como para justificar los costos más altos”, dice Schmaltz. Estima que las bebidas azucaradas deberán demostrar su viabilidad en los próximos cinco años para tener alguna posibilidad de penetración rápida en el mercado.

En cuanto a la evolución esperada del mercado, se prevé que la producción de SSB, actualmente por debajo de 2 GWh a nivel mundial y basada en SSB de polímero, aumente significativamente entre 2025 y 2030, cuando las SSB basadas en electrolitos de óxido y sulfuro comiencen a salir de las líneas de fabricación en cantidades mayores. Según la hoja de ruta de Fraunhofer ISI, la capacidad de producción se estima entre 15 y 55 GWh en 2030 y entre 40 y 120 GWh en 2035, aún por debajo del 2% del mercado LIB esperado.

ráfaga de actividad

Los hallazgos reflejan los anuncios de CATL, el fabricante de baterías para vehículos eléctricos (EV) más grande del mundo. A principios de este año, dijo que las SSB no se producirán en masa para autos eléctricos minoristas antes de 2030 como muy pronto, luego de la primera salida de sus laboratorios para 2025. Siguiendo sus pasos, los fabricantes de baterías Samsung SDI, SKI y LG están preparando sus SSB. para la introducción en el mercado en 2027, 2029 y después de 2030, respectivamente. Mientras tanto, la empresa conjunta entre Panasonic y el gigante automovilístico japonés Toyota ya ha presentado un prototipo de automóvil equipado con un SSB.

Toyota, a pesar de no poder capitalizar su éxito inicial en los vehículos eléctricos híbridos, ahora está tomando la delantera entre los fabricantes de automóviles con más de 1000 patentes de SSB. Está inyectando más de $ 35 mil millones en vehículos eléctricos para fines de la década, de los cuales aproximadamente la mitad se destinará a I + D de baterías. Sin embargo, a principios de este año, el fabricante de automóviles dejó en claro que el primer Toyota con SSB será un híbrido, que servirá como banco de pruebas. “Las baterías de estado sólido aún no son tan baratas y una de tamaño completo en un BEV puede hacer que el precio del automóvil sea exorbitante”, dice el científico jefe de Toyota, Gill Prat.

Mientras tanto, los rivales japoneses Nissan y Honda han revelado planes para establecer líneas de fabricación de SSB internamente. Los fabricantes de automóviles occidentales, incluidos Volkswagen, Mercedes-Benz, Stellantis, BMW y Ford, también están explorando los SSB a través de asociaciones con nuevas empresas.

Desafíos tecnológicos

Hoy en día, existen tres formas en competencia para producir electrolitos en estado sólido, y cada una tiene su propio conjunto de cuellos de botella tecnológicos. “En el espacio de los vehículos eléctricos, los electrolitos sólidos a base de sulfuro son particularmente prometedores con algunos de los principales desarrolladores, incluidos CATL, BYD, Samsung SDI y Toyota, entre otros, centrados en esta clase de tecnología”, dice Max Reid, analista de investigación de Wood Mackenzie. . “Contiene abundantes materiales y tiene una conductividad de iones de litio relativamente alta en comparación con otros electrolitos sólidos, lo que indica un mejor rendimiento para más ciclos. Sin embargo, el material es inestable en el aire y libera gas H2S que es venenoso e inflamable”.

El segundo enfoque, el electrolito a base de óxido, es químicamente la versión más estable. Pero su proceso de fabricación, en particular los procedimientos de sinterización a alta temperatura, hace que la producción en masa no sea un asunto fácil.

“Su capa separadora es quebradiza y no se puede enrollar, lo que significa que tienes que apilar una celda como una baraja de cartas. Actualmente no existe un proceso establecido, por lo que queda por ver si se puede hacer de una manera rentable”, dice Jon Jacobs, director de marketing de Solid Power, una empresa nueva con sede en Colorado que se especializa en SSB de sulfuro que es respaldado por BMW y Ford. Solid Power afirma estar utilizando los mismos procesos y equipos que en la fabricación LIB de vanguardia actual.

Finalmente, existen electrolitos sólidos a base de polímeros, que son mucho más fáciles de fabricar en comparación con las otras dos clases. «Para los polímeros, ya se ha establecido y se utiliza comercialmente un proceso de extrusión sin disolventes», dice Schmaltz de Fraunhofer ISI. «Si se amplía, esta podría ser una técnica de producción incluso más barata que las establecidas para LIB».

Sin embargo, las SSB con electrodos basados ​​en polímeros tienen una conductividad iónica común de solo 10-7S/cm a temperatura ambiente, por debajo del nivel de los electrolitos líquidos actuales. También tienen una estabilidad de oxidación muy pobre con cátodos de alto voltaje (solo compatibles con LiFePO4/LFP), todo lo cual significa que la densidad de energía de las baterías basadas en polímeros se ve muy afectada.

El costo es el rey

Lo que escuchamos hoy de muchos desarrolladores involucrados en el espacio SSB es que tienen arreglos para estos desafíos y ahora muchos enfrentan el próximo gran problema: el alto costo. “El costo de las baterías de estado sólido puede estar muy por encima de las LIB actuales. Si bien la mayor densidad de energía ahorrará costos de módulos y paquetes, reemplazar los ánodos de grafito con láminas delgadas de metal de litio y reemplazar los electrolitos líquidos con elementos que contienen sólidos como germanio y lantano representaría un aumento de costos”, dice Reid de WoodMac. Específicamente, mirando la cadena de suministro de SSB, no se ven muchas ventajas. “El material del ánodo de metal de litio es un claro cuello de botella. Esto podría hacer que los productores de celdas elijan un material de ánodo más abundante, el silicio, que promete un alto rendimiento pero no tan alto como el litio metálico. De lo contrario, Los SSB usan esencialmente la misma cantidad de materiales de cátodo que los LIB actuales, dependiendo del voltaje de la celda”. Esto significa que las SSB enfrentarán los mismos desafíos evidentes en el espacio de la batería hoy.

El costo no solo dependerá de las materias primas, sino también de la inversión en procesos de fabricación y utillaje. Hasta cierto punto, sería posible utilizar el equipo en las fábricas de iones de litio existentes para producir SSB. Es decir, si bien la estructura del cátodo puede ser la misma que la de las LIB actuales y se puede usar el mismo equipo en la fabricación de SSB, el ánodo probablemente será completamente diferente.

“O se deslaminarán láminas de metal de litio en la estructura de la celda, o se usará una técnica patentada para construir un ánodo de silicio, [usando] técnicas relativamente nuevas”, dice Reid. “Luego, con el electrolito, la inyección de líquidos será reemplazada por técnicas de fabricación de electrolitos sólidos. Sería un cambio monumental en el proceso de una fábrica actual, y dado que cada gigafábrica cuesta alrededor de $ 3 mil millones, sería bastante costoso modernizar estas instalaciones para producir solo SSB”.

Específicamente, el costo de producción de electrolitos basados ​​en óxidos y sulfuros es más alto, por lo que inicialmente es menos probable que se apliquen en sectores que son más sensibles a los costos que los sectores automotrices, como la industria de almacenamiento estacionario. Aquí, los requisitos son menores en el rendimiento en un espacio/masa pequeño, por lo que hoy en día los electrolitos poliméricos son la opción más popular en las aplicaciones de almacenamiento estacionario. Las SSB basadas en polímeros ya se han implementado en el campo, como en proyectos de minirredes llevados a cabo por Blue Solutions de Francia, el primer fabricante de SSB en lograr la fabricación en masa de cientos de MWh.

El potencial de las otras dos clases de electrolitos en el almacenamiento estacionario aún no se ha probado por completo. Sin embargo, hay movimiento en marcha. A principios de este año, el peso pesado de almacenamiento de energía de propiedad alemana y estadounidense Fluence firmó un acuerdo de varios años con la empresa estadounidense de baterías QuantumScape para introducir la tecnología SSB basada en óxido en aplicaciones de almacenamiento estacionario.

“Estamos trabajando juntos para validar y probar las celdas SSB de QuantumScape para su uso en los productos de almacenamiento estacionario patentados de Fluence. Nuestro equipo está particularmente entusiasmado con el potencial de los SSB de óxido para habilitar los ánodos de metal de litio, con el costo correspondiente y las mejoras de densidad que se obtendrían”, dice Brett Galura, vicepresidente sénior de Fluence Next y CTO. “Estas funciones pueden ayudar a reducir el espacio de instalación en un tercio y ofrecer características de seguridad que requieren menos componentes a nivel del sistema, lo que simplifica los enfoques de seguridad total del sistema”.

Prueba de desempeño

De hecho, más potencia y más seguridad a menudo se citan como las principales ventajas de la tecnología SSB, con mayores densidades de energía y tiempos de recarga más rápidos en comparación con los LIB que se afirman regularmente. Sin embargo, los resultados probados son más difíciles de conseguir. “Los participantes del mercado afirman que sus SSB tienen un rendimiento superior, pero es muy difícil juzgar las cifras reales, si es que las dan. Solo los valores probados por terceros podrían permitir una evaluación independiente del rendimiento real de la celda”, dice Schmaltz.

La empresa taiwanesa de SSB Prologium, que a principios de este año firmó un acuerdo de cooperación tecnológica con Mercedes-Benz, dice que sus prototipos ya están en prueba: “Hasta la fecha, ProLogium ha enviado más de 7,300 celdas EV con 50 – 60 Ah de capacidad a todo el mundo. socios automotrices para la verificación, y se han entregado más de un millón de células a los clientes para aplicaciones de consumo”, dice Lisa Hsu, subdirectora de la división de marketing de Prologium.

El fabricante de células reconoce que enfrenta desafíos para aumentar la capacidad de producción a nivel mundial a un ritmo que satisfaga la demanda de los clientes. “[Prologium es] el único fabricante de baterías de cerámica de litio de estado sólido capaz de producir a escala y proporcionar un suministro estable para la industria mundial de vehículos eléctricos”, dice. El plan es poner en marcha la primera planta de producción de 3 GWh de la compañía a principios de 2023.

A principios de este año, se presentó una batería con separador cerámico y una capacidad de 2,5 kWh junto con el fabricante taiwanés de scooters Gogoro, que cuenta con una extensa red de infraestructura de intercambio de baterías. Cuando se trata de beneficios tecnológicos, Prologium tiene una larga lista que incluye una densidad de energía del paquete casi un 80 % más alta, una carga más del 60 % más rápida y un precio más bajo, junto con el reciclaje del 90 % del electrolito de estado sólido.

Otros especialistas en el campo también están ansiosos por resaltar los beneficios de los SSB sobre los LIB, particularmente para el sector automotriz. “Hay mucho humo y espejos por ahí, pero el costo siempre es lo más importante”, dice Jacobs de Solid Power. “El primer beneficio es una mayor densidad de energía que hace posible almacenar alrededor de un 30 a un 40 % más de energía en la celda SSB que en las mejores celdas LIB basadas en líquido de la actualidad y le da al fabricante de automóviles la opción de aumentar el alcance o reducir la cantidad de baterías. necesitan adentro y así ahorrar dinero.” La celda EV de muestra B de la compañía tiene como objetivo ser de 390 Wh/kg y 930 Wh/L.

Una ventaja adicional es que los fabricantes de automóviles podrían disfrutar de mayores ahorros al eliminar el sistema de enfriamiento del paquete de baterías. “Cuando las LIB líquidas de hoy en día se calientan, incluso cuando el automóvil está estacionado al sol, las células se degradarán. A los SSB les gusta estar calientes”, dice Jacobs. Pero si bien es posiblemente la empresa emergente más prometedora que trabaja con electrolitos de sulfuro, Solid Power todavía tiene un largo camino por recorrer para comenzar a fabricar a escala, actualmente produce solo 150 kg de electrolito por mes; pero se está ampliando.

“Nuestra próxima segunda instalación podría ampliarse para fabricar hasta 10 toneladas por mes, lo que es suficiente para fabricar miles de celdas EV por año, que es lo que los fabricantes de automóviles necesitan para realizar pruebas de validación, pero no son suficientes celdas para suministrar un programa de automóviles. ”, dice Jacobs. “Para darle una idea, 10 GWh podrían abastecer entre 100.000 y 200.000 vehículos, por lo que en este momento nuestra capacidad para fabricar celdas y energía es de cientos de MWh”.

Selección y mezcla de SSB

Cátodo: Lo mismo que en LIB de última generación, incluyendo óxidos a base de metales de transición (NMC, NCA) y fosfato de hierro y litio (LFP), con cadena de suministro y rutas de procesamiento ya establecidas.

Ánodo: si bien se ha demostrado que el grafito funciona en varios conceptos de celdas de electrolitos sólidos, el metal de litio y el silicio son los materiales activos del ánodo. El metal de litio se considera el más prometedor, ya que permite la densidad de energía más alta posible en el lado del ánodo.

Tipo de electrolito sólido: óxido, sulfuro y polímero son tres clases predominantes en la actualidad, aunque también son posibles enfoques mixtos.