Baterías E-Bike de estado sólido con mayor autonomía y duración

Los vehículos eléctricos, las bicicletas, los barcos e incluso los aviones pequeños se están extendiendo por todo el mundo. Su funcionamiento es más barato y posiblemente más ecológico que el de los vehículos con motor de combustión interna. Sin embargo, tienen un punto débil: sus baterías de iones de litio son caras, pesadas, no duran tanto como los motores eléctricos, ofrecen una autonomía limitada e incluso pueden incendiarse. Las baterías de estado sólido podrían ser mucho mejores, ya sea para las E-Bikes así como para otros vehículos.

Las baterías de estado sólido podrían cambiar las reglas del juego de las bicicletas eléctricas

Las baterías de estado sólido no tienen electrodos líquidos como las de iones de litio. Son sólidas, mucho más pequeñas y ligeras para la misma potencia en vatios. Las baterías de iones de litio tienen un electrolito líquido que separa el ánodo del cátodo, mientras que las de estado sólido tienen un electrolito sólido que separa ambos. Pueden utilizar litio metálico para el ánodo y óxidos o sulfuros para el cátodo, lo que aumenta la densidad energética. El electrolito sólido actúa como un separador ideal que sólo permite el paso de iones de litio. Como lo muestra la siguiente imágen.

Baterías de iones de litio y de estado sólido

Las baterías de estado sólido podrían liberar el potencial de las E-Bikes

Al menos un fabricante de bicicletas eléctricas, el suizo Stromer, ya ha construido un prototipo de E-Bike equipado con una batería de estado sólido que, según afirman, es revolucionaria y prácticamente duplica el potencial de las baterías de iones de litio de las E-Bikes, ya sea en densidad de potencia, autonomía o duración. Está en fase de desarrollo y se prevé venderla en unos años. Dado que las baterías de estado sólido ya se utilizan en pequeños dispositivos e incluso en marcapasos, no hay motivo para creer que sean inadecuadas para las bicicletas eléctricas.

Batería cerámica de estado sólido para E-Bike de Stromer

Ventajas e inconvenientes de las baterías de estado sólido en comparación con las de iones de litio

• No explotan ni se incendian.
• Proporcionan al menos un 50% más de capacidad y, por lo tanto, de autonomía.
• Pueden cargarse completamente en unos 15 minutos.
• Pueden durar el doble antes de perder más del 10% de su capacidad.
• No contienen metales raros como el cobalto.
• Son más pequeñas y ligeras.
• Al no contener líquidos, que pueden expandir su volumen con el calor y encogerse con el frío, son mucho más estables y soportan mejor las temperaturas extremas.
• Se prevé que sean caros, al menos en una fase inicial.
• Su producción en masa podría tardar años en ponerse en marcha, según las previsiones de los expertos, posiblemente a finales de esta década. El objetivo se centra  en una fase inicial en los coches, pero es muy probable que estas baterías se instalen en las bicicletas eléctricas.

Schaeffler automotive: todas las baterías de estado sólido

La debilidad de las baterías frena la próxima era eléctrica

Límites de autonomía y ansiedad

Tras la edad de piedra y de hierro, llegó la era del petróleo, que poco a poco está siendo sustituida por la era eléctrica. De hecho, los motores eléctricos son muy superiores a los motores de combustión interna, ya que son más ligeros, silenciosos, duraderos, potentes y económicos de fabricar y utilizar. Cuando se puede suministrar electricidad al motor de forma continua a un costo razonable, como en los trenes, se han abandonado los motores de combustión interna. Sin embargo, hay un obstáculo. Hay que encender y quemar los combustibles para producir energía, mientras que la electricidad está disponible enseguida. El problema es cuando hay que almacenarla, por ejemplo para vehículos y E-Bikes. Un kilogramo de combustible almacenado en un depósito proporciona unas 12 veces más energía que un kilogramo de batería. Por supuesto, una batería puede recargarse, mientras que un kilogramo de combustible se quema y contamina, ensucia y desgasta el motor más que la electricidad; no obstante, la baja densidad energética limita la autonomía de cualquier vehículo eléctrico, las bicicletas elétricas están incluidas. Tanto las E-Bikes como los coches eléctricos utilizan baterías de iones de litio que, en el caso de las E-Bikes, tardan al menos 90 minutos en cargarse del 20 al 80% en un enchufe doméstico.

En el caso de los coches, se necesita una media de 250 kg de batería para cien kilómetros de autonomía; en el de las E-Bikes, se necesitan unos 3,5 kg de batería para alcanzar la misma autonomía, siempre que se añada una buena potencia en las piernas. Estos límites crean ansiedad de autonomía, el miedo a menudo exagerado de quedarse atascado en medio de la nada, o bien de tener que pedalear todo el camino de vuelta a casa en una E-Bike de 25 kg, ya que las estaciones de recarga siguen siendo escasas. Con un motor de combustión interna, siempre puedes arreglártelas para ir a comprar un par de litros de combustible a la siguiente gasolinera y volver a tu coche.

Las baterías de iones de litio son caras y se gastan con bastante rapidez

Para las bicicletas eléctricas, las baterías de iones de litio cuestan al menos un euro por vatio de potencia. Pierden alrededor de un 2% de su capacidad cada año incluso permaneciendo inactivas. Si se cuidan bien, pierden en total alrededor del 3% de su capacidad cada año así como cada mil kilómetros.  Estos valores pueden empeorar o mejorar en función de las condiciones de uso y almacenamiento. Muchos fabricantes de coches garantizan que sus baterías conservan al menos el 70% de su capacidad después de 10 años o 180.000 km, lo que ocurra primero.

Pueden incendiarse

Uno de los mayores defectos de las baterías de iones de litio es la formación de dendritas en la superficie del ánodo. Estas estructuras crecen como raíces en el electrolito y perforan la barrera que separa el ánodo y el cátodo, provocando un cortocircuito en la batería o incluso un incendio. Además, eso acelera la pérdida de capacidad.

Perfeccionamiento previsto en la plataforma tecnológica QuantumScape

Las baterías de estado sólido ya son una realidad, aunque aún se encuentran en un proceso de desarrollo

1. La semana pasada, QuantumScape, una empresa californiana, y Volkswagen, su principal inversor, anunciaron haber alcanzado los 500.000 km y un 40% más de autonomía con baterías de estado sólido. Tras mil ciclos de recarga, es decir, más de 500.000 km, sus baterías conservaban aún el 95% de su capacidad inicial. Además, pueden cargarse completamente en menos de 15 minutos y presumen de al menos un 40% más de autonomía que las baterías de iones de litio. La empresa cuenta ya con 800 empleados y liquidez de sobra para continuar sus operaciones hasta 2027, cuando tiene previsto empezar a comercializar lentamente sus baterías, aunque no se espera que entregue prototipos listos para la producción a sus clientes antes del 2025.
2. Solid Power es otra empresa de baterías de estado sólido de Colorado (EE.UU.). Ya han entregado a BMW algunas baterías de estado sólido para coches, sólo para pruebas, y tienen previsto lanzarlas al mercado en 2028. Tienen 50 empleados y una sólida situación financiera, gracias a los inversores. En el sitio web de Solid Power se lee: «Los procesos de fabricación de celdas que hemos desarrollado ya se utilizan en todo el mundo para la producción de grandes volúmenes de celdas de baterías tradicionales de iones de litio, lo que creemos que permitirá a los fabricantes de nuestras celdas de baterías totalmente de estado sólido cumplir los requisitos de volumen y coste de los fabricantes de equipos originales.»
3. Nio es un prestigioso fabricante de coches chino. Hace muy poco, con uno de sus coches de serie, su Director General condujo 1145 kilómetros sin parar con una sola carga gracias a su nueva batería patentada de estado semisólido. Se grabó a sí mismo constantemente en streaming en directo, para demostrar la autenticidad de la prueba.
4. Toyota ha declarado recientemente que lanzará un coche eléctrico con batería de estado sólido en 2027, aunque no sabemos si será un modelo caro o popular.
5. Investigadores de la Escuela John A. Paulson de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard han desarrollado una nueva batería de metal de litio que puede cargarse y descargarse al menos 6.000 veces.
6. En el próximo CES 2024, el proveedor automovilístico alemán Schaeffler Americas presentará una batería de estado sólido para vehículos eléctricos de «próxima generación». Un ejecutivo de Schaeffler dijo que el proveedor ya tiene un cliente para su tecnología de estado sólido, pero se negó a nombrar el fabricante de automóviles.
7. Toyota, Mercedes, BMW, Volkswagen, Volvo, General Motors, Ford y Hyunday son algunos de los grandes fabricantes de automóviles que invierten en baterías de estado sólido.
8. A partir de 2020, Mercedes ya ha vendido algunos (probablemente más de 100) autobuses eCitaro con baterías de estado sólido, aunque ahora también están produciendo eCitaros con baterías NMC (Níquel Manganeso Cobalto).

Mercedes eCitaro G con baterías de estado sólido

Parece que aún queda mucho para que las baterías sean realmente baratas y potentes…

Sin embargo, hace sólo 40 años no había pilas recargables, aparte de las pesadas y débiles baterías de plomo. Hemos avanzado mucho desde entonces, lo que es un buen augurio para el futuro próximo. Una batería de 200 km de autonomía que pese menos de 1 kg y dure 20 años puede no estar demasiado lejos para nuestras E-Bikes, aunque tardará más en ser barata.

Imágenes: Solid Power, Samsung, Stromer, Schaeffler Americas, QuantumScape, Mercedes.