ANAHÍ ABELEDO

La tecnología de estado sólido, el azufre y el silicio definirán las baterías de los vehículos eléctricos a fines de la década de 2020 y más allá. Una nueva generación de baterías que almacenan más energía, logran un rango de manejo más largo y se cargan más rápidamente,  impulsadas por nuevos electrodos a base de silicio que están programados para ser utilizados. Ya estarán en línea de producción el próximo año en el centro del estado de Washington y se prevé que en dos o tres años estarán a la venta para el consumidor. Cuáles son las automotrices que ya están apostando al futuro. 

Las baterías del futuro podrían ir más allá de la química líquida de principios de la década de 2020 para confiar en la tecnología de estado sólido e intercambiar grafito en el ánodo por azufre o silicio.

Se espera que las ventas de vehículos eléctricos para pasajeros se acerquen a los 30 millones de unidades para 2027 y continúen creciendo, dijo S&P Global Commodity Insights, en un reciente informe.

Un empleado de Volkswagen con una cámara de prueba de batería en las instalaciones de producción de baterías EV piloto del fabricante de automóviles en Salzgitter, Alemania. Volkswagen tiene la intención de utilizar una variedad de químicas de cátodos y ánodos en sus modelos EV

Dos empresas emergentes, Group14 Technologies y Sila Nanotechnologies, se centran en nuevas aplicaciones para el silicio, un elemento abundante que se está desarrollando como complemento o reemplazo del grafito en los ánodos de las baterías.

Group14, de siete años, dijo el martes que comenzó a construir una instalación de grado comercial en Moses Lake para su polvo de silicio y carbono SCC55, según Reuters.

Los fabricantes de vehículos eléctricos ya están respondiendo a los altos precios del metal de las baterías cambiando las químicas del ánodo y el cátodo para confiar en elementos más baratos y comunes. 

"En términos de cuáles son nuestras expectativas de cambios, sin duda es una mayor diversidad en las químicas", dijo Max Reid, analista de investigación senior de Wood Mackenzie que se especializa en vehículos eléctricos y la cadena de suministro de baterías.

LA ESCASEZ POR VENIR
Estas nuevas químicas marcarán el comienzo de una nueva generación de baterías para vehículos eléctricos con mayor densidad de energía, menos problemas de seguridad y menos exposición a cadenas de suministro volátiles, dijeron expertos de la industria a S&P Commodity Insights. Las baterías de EV ahora se dirigen hacia químicas de cátodo con menos níquel e incluso podrían emplear tecnología de estado sólido.

Estos cambios están alimentados por preocupaciones sobre la dependencia de un pequeño grupo de países para minerales como el cobalto utilizado en la fabricación de cátodos y ánodos de baterías EV.

"Podemos hablar sobre los problemas [muy transitados] de la concentración a lo largo de la cadena de suministro, ya sea la concentración en el upstream con disponibilidad limitada de recursos entre unos pocos países, [o] la concentración en el midstream", dijo Reed Blakemore, subdirector de Atlantic Council Global Energy Center. "Ahí es donde gran parte del oxígeno en la sala se consume en la conversación sobre el dominio de China sobre el procesamiento de minerales".

ÁNODOS A BASE DE SILICIO
Los cátodos no son la única parte de la celda de la batería EV que se renueva.

Algunas empresas, como Sila Nanotechnologies Inc. en California, están desarrollando ánodos a base de silicio para reemplazar el grafito que se usa comúnmente en la actualidad. El fabricante de automóviles Mercedes-Benz Group AG anunció en mayo de 2022 que utilizará los ánodos de Sila en vehículos seleccionados a mediados de la década.

Al igual que con el níquel, el grafito se obtiene a través de una cadena de suministro concentrada. Para los productores de vehículos eléctricos que desean reducir sus emisiones de gases de efecto invernadero, como BMW Group, existe el desafío adicional de la alta intensidad de carbono del grafito sintético. La producción del material, que puede ser más barato que el grafito natural, depende del coque de petróleo y otros combustibles fósiles.

"En comparación con los carbones grafíticos, el silicio tiene casi un orden de magnitud de mayor capacidad [energética]", escribieron John Vaughey, químico principal del Laboratorio Nacional de Argonne, y Brian Cunningham, gerente de programa del Departamento de Energía de EE. UU., en un informe para el Programa Silicon DeepDive, que se centra en el desarrollo de un ánodo de silicio eficaz. Pero varios problemas actualmente limitan el uso de silicio en celdas comerciales, incluida la expansión del ánodo y la alta reactividad que puede hacer que las baterías sean inestables, dijeron Vaughey y Cunningham.

Un Mercedes Concept EQG se ve antes del Salón del automóvil de Múnich IAA Mobility 2021 en Múnich, Alemania, el 5 de septiembre de 2021

Según Sila, el uso de materiales de silicio refinado conocidos como silicio nanocompuesto reduce el peso de las celdas, mejora la autonomía de la batería y acorta el tiempo de carga. La compañía dijo que este material es diferente de un ánodo de silicio puro, que puede presentar problemas de reactividad química que han dificultado su uso en la actualidad.

Los principales fabricantes de automóviles, como Stellantis NV, también están explorando la posibilidad de cambiar los cátodos a base de níquel por otros de litio y azufre. La compañía anunció el 25 de mayo que invertirá en la tecnología de baterías de litio-azufre de LytEn Inc.

"A diferencia de las baterías de iones de litio tradicionales, las baterías de litio-azufre de LytEn no utilizan níquel, cobalto ni manganeso, lo que da como resultado una huella de carbono un 60 % menor que las mejores baterías de la actualidad y un camino para lograr la batería EV con las emisiones más bajas en el mercado global", dijo Stellantis en el anuncio. "Las materias primas para las baterías de litio-azufre tienen el potencial de ser obtenidas y producidas... en América del Norte o Europa, mejorando la soberanía de suministro regional".

BATERÍAS DE ESTADO SÓLIDO
Más allá de intercambiar minerales, los fabricantes de vehículos eléctricos buscan cambiar el estado físico de los metales en una batería para reducir la demanda de minerales, aumentar la vida útil de la batería y mejorar la densidad de energía a largo plazo.

Una batería de estado sólido (SSB) emplea un electrolito sólido en lugar del electrolito líquido que se usa comúnmente en las celdas convencionales. Esto puede hacer que la batería final sea más liviana, más estable y mejor para retener energía. Las SSB de litio podrían tener un potencial máximo de densidad de energía de hasta 480 vatios-hora por kilogramo, en comparación con el máximo previsto de las baterías de iones de litio comunes de 300 Wh/kg para 2025, según la Agencia Internacional de Energía (AIE).

El principal obstáculo para la adopción generalizada de SSB es aumentar la producción de un entorno de laboratorio a una escala industrial, según la AIE. "Después de encontrar un proceso de ampliación robusto y rentable, el diseño de automóviles eléctricos equipados con [todo SSB] tomaría entre tres y cinco años", escribió la agencia en un informe principal de 2021.

Solid Power Inc., con sede en EE. UU., un desarrollador de tecnología SSB para vehículos eléctricos, está trabajando en un SSB que combina un cátodo de níquel-manganeso-cobalto con un ánodo basado en silicio y un electrolito de sulfuro sólido. QuantumScape Corp., otra empresa estadounidense de baterías, está desarrollando su propio SSB que utiliza un electrolito cerámico con un ánodo de metal de litio.

El fabricante de automóviles japonés Nissan Motor Co. Ltd. apunta a 2028 para la inclusión de SSB en sus automóviles, y Honda Motor Co. Ltd. dijo que apunta a comenzar el lanzamiento de vehículos eléctricos con SSB en algún momento de la segunda mitad de la década de 2020.

"Si los investigadores y los fabricantes encuentran la solución para producir en masa estas nuevas baterías en los próximos cinco años, [todas las baterías de estado sólido] competirán con las baterías de iones de litio existentes por el espacio en las carreteras a principios de la década de 2030 y, por lo tanto, lanzar la siguiente fase de la movilidad eléctrica", dijo la AIE.

GROUP14 TECHNOLOGIES Y SILA, DOS EMERGENTES
Dos empresas emergentes, Group14 Technologies y Sila Nanotechnologies, se centran en nuevas aplicaciones para el silicio, un elemento abundante que se está desarrollando como complemento o reemplazo del grafito en los ánodos de las baterías.

Group14, de siete años, dijo el martes que comenzó a construir una instalación de grado comercial en Moses Lake para su polvo de silicio y carbono SCC55, según Reuters.

Cuando la planta se inaugure en 2024, tendrá la capacidad inicial para producir suficiente material de ánodo para hasta 200 000 EV, con planes de triplicar la capacidad para satisfacer la demanda aún creciente.

El primer cliente automotriz de Group14 es Porsche (PSHG_p.DE) , uno de varios inversores corporativos junto con TDK (6762.T) Amperex Technology Limited (ATL), BASF (BASFn.DE) y SK Inc (034730.KS) . La compañía hasta ahora ha recaudado $ 650 millones.

La planta de empresa conjunta de Group14 en Corea con el fabricante de baterías SK está programada para abrir este año, según Rick Luebbe, CEO y cofundador.

Sila Nano, de doce años, planea comenzar la producción de su material de ánodo de nanocompuesto Titan Silicon el próximo año en una instalación en Moses Lake, según Gene Berdichevsky, CEO y cofundador.

Mercedes-Benz (MBGn.DE) está programado para ser el primer cliente automotriz en 2025, comenzando con su SUV eléctrico EQG. Sila ha recaudado más de US$900 millones, con Mercedes, ATL y Siemens (SIEGn.DE) entre sus inversionistas corporativos.

La fuerte demanda de ánodos ricos en silicio significa que "estamos bajo presión para ir más rápido y más grande", dijo Luebbe. Incluso con las plantas en Corea y Washington en funcionamiento, "tenemos más demanda de la que podemos soportar".

Aún así, "tomará más de 10 años" para que el silicio reemplace al grafito como ingrediente principal en los ánodos, dijo Berdichevsky.