Toyota logra un avance en la fabricación de baterías de estado sólido

En 1992, Sony desató una revolución en los productos electrónicos portátiles. Aprovechando décadas de investigación de laboratorio sobre baterías de iones de litio, la compañía japonesa pudo introducir productos como teléfonos móviles y videocámaras portátiles que cambiaron la vida de miles de millones de consumidores.

Las baterías sustentan ahora la prodigiosa tarea de reformar el sistema mundial de energía y transporte para reducir la dependencia de los combustibles fósiles. Si bien el costo de fabricar baterías de iones de litio se desplomó, algo que permitió el despegue de las ventas de automóviles eléctricos en los últimos años, la esencia de la tecnología cambió poco desde su comercialización.

Sin embargo, después de tres décadas de optimización progresiva, esa ortodoxia pronto podría verse alterada. Toyota indicó en las últimas semanas que está cerca de lograr un gran avance en la fabricación de una tecnología que podría cambiar las reglas del juego: las baterías de estado sólido. El entusiasmo ha ido en aumento desde que el grupo automotriz japonés hizo una serie de anuncios sobre la tecnología de próxima generación en junio. Su capitalización de mercado aumentó en 26 mil millones de dólares (mdd) desde entonces.

Si tiene éxito, Toyota podría comenzar a vender vehículos eléctricos que sean más seguros, puedan recargarse más rápidamente y puedan recorrer mil 200 kilómetros con una sola carga -aproximadamente el doble del promedio actual de la compañía- tan pronto como en 2027.

“Hay una carrera en todo el mundo para tener éxito en el espacio de las baterías de estado sólido”, dice Peter Bruce, cofundador y científico jefe de la Faraday Institution, un centro británico de investigación de baterías. “Si Toyota o cualquier otra empresa logra fabricar baterías de estado sólido que sean competitivas en costos y ofrezcan la vida útil necesaria, entonces podrían ofrecer un aumento en la densidad de energía y una recarga de 10 minutos. Si alcanzan esas métricas, será disruptivo”.

Si la tecnología tiene una introducción exitosa, el impacto podría ser dramático. Sacudiría la industria automotriz, donde las ventas de vehículos eléctricos y baterías actualmente son dominadas por Tesla y BYD y CATL de China; tendría implicaciones geopolíticas dada la ansiedad en Occidente por el actual dominio de China en baterías y sus materias primas; y podría abrir la aplicación de baterías a nuevas áreas de transporte como la aviación.

Algunos analistas creen que el cambio podría ser tan trascendental como el de los teléfonos inalámbricos y fijos a los teléfonos móviles.

Pero la tecnología de baterías de estado sólido no está exenta de escépticos. Los críticos preguntan si se abordaron cuestiones científicas básicas; otros se preguntan si algún día se podrá fabricar a alta velocidad y en gran volumen, o si algún día existirá un mercado importante.

“El entusiasmo en torno a las baterías de estado sólido implica que el conjunto de soluciones existente no es lo suficientemente bueno. Es evidente que no es cierto. Las ventas están creciendo entre 20 y 30 por ciento al año y casi todos los que las prueban dicen que nunca darán marcha atrás”, dice Alex Brooks, analista de Canaccord Genuity. “En este momento es un proyecto de investigación con mucho bombo y platillo”.

La última afirmación de Toyota sobre un gran avance reavivó la cuestión de cuándo las baterías de estado sólido harán una contribución importante a la descarbonización del sistema de transporte mundial. Venkat Srinivasan, director del Centro Colaborativo de Argonne para la Ciencia del Almacenamiento de Energía, un laboratorio financiado por el gobierno de Estados Unidos (EU), las califica como el “santo grial” de la industria de las baterías en el largo plazo.

“¿Pero estas interesantes innovaciones a escala de laboratorio son las que todavía tienen un gran puente que cruzar antes de que sean fabricables, o algo que pronto pueda producirse a escala?”, pregunta. “Todavía estoy debatiéndome eso”.

Una base sólida

Todas las baterías funcionan de la misma manera: una corriente de átomos cargados eléctricamente conocidos como iones fluye a través de un material químico llamado electrolito desde el ánodo hasta el cátodo, los dos electrodos de la celda, generando una corriente en el proceso.

Las baterías de estado sólido se diferencian de las actuales celdas de iones de litio en que el electrolito es sólido en lugar de líquido. Se llevan a cabo pruebas de diferentes materiales como electrolitos potenciales, incluidos polímeros, óxidos y sulfuros. Los coches que utilizan baterías de estado sólido serían mucho más seguros, ya que los electrolitos líquidos pueden tener un mayor riesgo de incendio.

Cambiar el electrolito por sí solo no necesariamente resultará en un cambio radical en el rendimiento de la batería. El verdadero entusiasmo reside en un desarrollo tecnológico que permitiría: los ánodos de metal de litio. Reemplazar el grafito que se usa en los ánodos actuales ayudaría a duplicar el rango de la batería, en parte porque sería más liviana.

Las baterías de estado sólido se han enfrentado a desafíos tecnológicos básicos de larga data. Uno es la dificultad de mantener el rendimiento de la batería y evitar fallas, ya que las cargas y descargas repetidas provocan la formación de dendritas, acumulaciones de litio, que pueden provocar grietas. Otro reto es permitir un contacto estable entre materiales sólidos.

El primer “avance”, reivindicado por Toyota en junio, se relaciona con la solución de problemas técnicos de durabilidad, aunque fueron escasos los detalles sobre qué tipo de materiales condujeron a su avance. La semana pasada, anunció una asociación con el grupo petroquímico Idemitsu Kosan para desarrollar y producir conjuntamente un electrolito de sulfuro, que según dijo sería clave para su comercialización dentro de cinco años.

“Confiamos en que los electrolitos sólidos a base de sulfuro son la solución más prometedora para los problemas de las baterías de los vehículos eléctricos, como la distancia de recorrido y los tiempos de recarga”, dijo el director ejecutivo de Idemitsu, Shunichi Kito, en una conferencia de prensa conjunta con Toyota.

Los científicos cada vez están más de acuerdo en que los desafíos tecnológicos básicos ya no parecen insuperables. Eso hace que el próximo desafío sea ampliar la producción en masa. El proceso de ensamblado plantea uno de los mayores obstáculos, ya que las capas de celdas cátodo-ánodo deben apilarse rápidamente y con gran precisión, sin dañar los materiales.

Los ingenieros de Toyota también afirmaron que lograron avances en este sentido. El grupo ahora tiene cada vez más confianza en que puede apilar las celdas al mismo ritmo que las baterías de litio actuales.

Sin embargo, es necesario superar otros obstáculos técnicos para lograr una producción en masa a gran escala. “Todavía necesitamos un gran avance en términos de garantizar el volumen y la calidad de los materiales de las baterías”, dijo uno de sus ingenieros durante un recorrido por la planta el mes pasado.

Un impacto global

La introducción de baterías de estado sólido podría tener un profundo impacto en el futuro de la industria automotriz mundial.

Por el momento, China tiene el potencial de dominar la siguiente etapa de la industria debido a su liderazgo tanto en tecnología como en fabricación de baterías: produjo más de 75 por ciento de las baterías a nivel mundial el año pasado, según la Agencia Internacional de Energía (AIE).

CATL es, por mucho, el fabricante de baterías más grande del mundo y cuenta con una participación de mercado de 37 por ciento. La empresa es el fabricante de baterías más rentable y tiene una formidable ventaja de costos, en parte debido a su escala e inversión en investigación y desarrollo.

El estado sólido podría ser la única manera de superar a Beijing en la carrera de las baterías. Toyota está lejos de ser la única empresa que invierte en esta tecnología. Nissan y Honda tienen sus propios programas. Los tres principales productores de baterías de Corea del Sur -LG Energy Solution, Samsung SDI y SK On- ya declararon su intención de desarrollar este tipo de celdas para finales de la década de 2020. Las startups estadounidenses, QuantumScape y Solid Power, socios de Volkswagen y BMW, respectivamente, tienen objetivos de comercialización similares para sus propias tecnologías.

Akitoshi Hayashi, profesor de la Universidad Metropolitana de Osaka, dice que será “extremadamente difícil” producir en masa baterías de estado sólido con la misma calidad que las actuales baterías de iones de litio, pero si se logra, la tecnología será “globalmente insuperable”.

“Las baterías de estado sólido serán clave para la reactivación de los grupos automotrices japoneses, que están rezagados en la estrategia de vehículos eléctricos, y para Japón, que ya perdió participación en el mercado mundial en baterías de iones de litio”, añade.

China también controla el procesamiento de materias primas para baterías. Las baterías de estado sólido podrían reducir ciertas vulnerabilidades, como la actual dependencia del grafito, al que Beijing impuso restricciones a la exportación hace dos semanas. Pero harían poco para aliviar la escasez de litio que se pronostica, ya que consumiría incluso más que las baterías actuales.

Los líderes de la industria en China y Corea son menos optimistas acerca de que las baterías de estado sólido cumplan su promesa. Según una persona cercana a CATL, los investigadores del grupo chino ha trabajado durante la última década para descifrar las baterías de estado sólido. Todavía tienen que encontrar un sistema rentable para la producción en masa y, dentro de CATL, hay escepticismo de que Toyota lo haya logrado.

Los líderes de la industria coreana están de acuerdo. “Desarrollar un producto y comercializarlo son dos cosas distintas”, afirma un ejecutivo. “Toyota habla de la producción en masa de baterías de estado sólido desde hace más de 10 años, pero siguen aplazando el momento”.

Los obstáculos de fabricación

Incluso si se pueden superar los desafíos tecnológicos y de aumento de la escala, es una gran incógnita si las baterías de estado sólido pueden reducir los costos de producción a tiempo para acelerar el despliegue global de los vehículos eléctricos.

Las economías de escala ayudarán a reducir los costos. Pero el rendimiento y el costo de las baterías de litio actuales también mejoran constantemente, a medida que avanzan otras tecnologías como los ánodos de silicio. La extrema sensibilidad que tienen las baterías de estado sólido a la humedad y al oxígeno podría mantener altos los costos de fabricación, mientras que su complejidad podría requerir costosos rediseños de los vehículos eléctricos.

Si los costos no bajan lo suficiente, entonces las baterías de estado sólido podrían terminar limitándose a coches de lujo o a los camiones. Kim Dong-myung, jefe de la división de baterías avanzadas para automóviles de la coreana LGES, dice que producirlas es “demasiado costoso” y que habrá “aplicaciones muy limitadas”. Incluso si todo sale según lo planeado, las baterías de estado sólido solo podrán abarcar alrededor de 10 por ciento del mercado general de vehículos eléctricos para 2035, estima Lee Kyung Sub, jefe del negocio de materiales para baterías del conglomerado coreano Posco.

El propio director ejecutivo de Toyota, Koji Sato, se muestra renuente a calificar a las baterías de estado sólido como “algo revolucionario” para ganar la carrera mundial de vehículos eléctricos. Sato señaló que las baterías de estado sólido se implementarán inicialmente en pequeños volúmenes en modelos de gama alta, mientras que las baterías de litio se van a seguir utilizando en coches más asequibles.

“La tecnología de baterías de estado sólido será un factor extremadamente importante en términos de desarrollar nuestra fortaleza general en los diversos productos de baterías que tenemos”, dice Sato. “Pero las baterías por sí solas no determinarán el valor de nuestro vehículo”.

Muchos ejecutivos de la industria están de acuerdo en que las tecnologías que constituyen el estado sólido se integrarán gradualmente en las baterías actuales. CATL al parecer planea hacer precisamente eso, presentando en abril una nueva batería “condensada” o “de estado semisólido” con el doble de densidad de energía que los modelos actuales.

“Una batería totalmente de estado sólido es un ideal de hacia dónde queremos llegar”, dice Glen Merfeld, director de tecnología de Albemarle, el productor de litio más grande del mundo. “Las baterías de iones de litio actuales terminarán evolucionando para tener ese aspecto”.

A pesar de todos los obstáculos técnicos que aún quedan, algunos analistas creen que el impacto potencial podría ser profundo. Una batería con un rendimiento sustancialmente mejorado podría abrir la puerta a un rediseño de muchos aspectos de la movilidad global, desde los robotaxis hasta la aviación regional y nuevos tipos de drones.

“El estado sólido tiene que cumplir una misión. El trabajo de las baterías nuevas nunca es reemplazar las baterías viejas. Se trata de desbloquear cosas que antes no podíamos hacer”, afirma Shirley Meng, profesora de baterías en la Universidad de Chicago. “Al aprovechar la nueva distancia de recorrido y el tiempo de recarga, las compañías automotrices japonesas están reimaginando el futuro del transporte”.

rp