Qué sigue para las baterías en 2023

Espere nuevas químicas de batería para vehículos eléctricos y un impulso de fabricación gracias a la financiación del gobierno este año.

Cada año, el mundo funciona cada vez más con baterías. Los vehículos eléctricos superaron el 10 % de las ventas mundiales de vehículos en 2022 y están en camino de alcanzar el 30 % para fines de esta década.

Las políticas en todo el mundo solo acelerarán este crecimiento: la legislación climática reciente en los EE. UU. está inyectando miles de millones en la fabricación de baterías e incentivos para la compra de vehículos eléctricos. La Unión Europea y varios estados de EE. UU. aprobaron prohibiciones para los vehículos a gasolina a partir de 2035.

La transición requerirá muchas baterías, y mejores y más baratas.

La mayoría de los vehículos eléctricos actuales funcionan con baterías de iones de litio, una tecnología con décadas de antigüedad que también se usa en computadoras portátiles y teléfonos celulares. Todos esos años de desarrollo han ayudado a bajar los precios y mejorar el rendimiento, por lo que los vehículos eléctricos de hoy se están acercando al precio de los automóviles que funcionan con gasolina y pueden recorrer cientos de millas entre cargas. Las baterías de iones de litio también están encontrando nuevas aplicaciones, incluido el almacenamiento de electricidad en la red que puede ayudar a equilibrar las fuentes de energía renovable intermitentes como la eólica y la solar.

Pero todavía hay mucho margen de mejora. Tanto los laboratorios académicos como las empresas están buscando formas de mejorar la tecnología, aumentando la capacidad, acelerando el tiempo de carga y reduciendo los costos. El objetivo es baterías aún más baratas que proporcionen almacenamiento económico para la red y permitan que los vehículos eléctricos viajen distancias mucho mayores con una sola carga.

Al mismo tiempo, las preocupaciones sobre el suministro de materiales clave para baterías como el cobalto y el litio están impulsando la búsqueda de alternativas a la química estándar de iones de litio.

En medio de la creciente demanda de vehículos eléctricos y energía renovable y una explosión en el desarrollo de baterías, una cosa es segura: las baterías desempeñarán un papel clave en la transición a la energía renovable. Esto es lo que puede esperar en 2023.

Algunos enfoques dramáticamente diferentes para las baterías EV podrían ver progreso en 2023, aunque es probable que tarden más en tener un impacto comercial.

Un avance a tener en cuenta este año son las llamadas baterías de estado sólido. Las baterías de iones de litio y los productos químicos relacionados utilizan un electrolito líquido que transporta la carga; Las baterías de estado sólido reemplazan este líquido con cerámica u otros materiales sólidos.

Este intercambio desbloquea posibilidades que concentran más energía en un espacio más pequeño, lo que podría mejorar la autonomía de los vehículos eléctricos. Las baterías de estado sólido también podrían mover la carga más rápido, lo que significa tiempos de carga más cortos. Y debido a que algunos solventes utilizados en electrolitos pueden ser inflamables, los defensores de las baterías de estado sólido dicen que mejoran la seguridad al reducir el riesgo de incendio.

Un nuevo tipo de batería finalmente podría hacer que los autos eléctricos sean tan convenientes y baratos como los de gasolina.

Las baterías de estado sólido pueden usar una amplia gama de productos químicos, pero un candidato líder para la comercialización usa metal de litio. Quantumscape, por su parte, se centra en esa tecnología y recaudó cientos de millones en fondos antes de salir a bolsa en 2020. La empresa tiene un acuerdo con Volkswagen que podría poner sus baterías en los automóviles para 2025.

Pero reinventar completamente las baterías ha resultado difícil, y las baterías de metal de litio han sido objeto de preocupación por la degradación con el tiempo, así como por los desafíos de fabricación. Quantumscape anunció a fines de diciembre que había entregado muestras a los socios automotrices para que las probaran, un hito importante en el camino hacia la incorporación de baterías de estado sólido en los automóviles. Otros jugadores de baterías de estado sólido, como Solid Power, también están trabajando para construir y probar sus baterías. Pero si bien también podrían alcanzar hitos importantes este año, sus baterías no llegarán a los vehículos en circulación en 2023.

Las baterías de estado sólido no son la única tecnología nueva a tener en cuenta. Las baterías de iones de sodio también se desvían bruscamente de las químicas de iones de litio comunes en la actualidad. Estas baterías tienen un diseño similar al de las baterías de iones de litio, que incluyen un electrolito líquido, pero en lugar de depender del litio, utilizan sodio como ingrediente químico principal. Según los informes, el gigante chino de baterías CATL planea comenzar a producirlas en masa en 2023.

Es posible que las baterías de iones de sodio no mejoren el rendimiento, pero podrían reducir los costos porque dependen de materiales más baratos y más disponibles que los químicos de iones de litio. Pero no está claro si estas baterías podrán satisfacer las necesidades de autonomía y tiempo de carga de los vehículos eléctricos, razón por la cual varias empresas que buscan la tecnología, como Natron, con sede en EE. UU., apuntan a aplicaciones menos exigentes para comenzar, como almacenamiento estacionario o dispositivos de micromovilidad. como bicicletas eléctricas y scooters.

Hoy en día, el mercado de baterías destinadas al almacenamiento de red estacionario es pequeño: aproximadamente una décima parte del tamaño del mercado de baterías EV, según Yayoi Sekine, jefe de almacenamiento de energía de la firma de investigación de energía BloombergNEF. Pero la demanda de almacenamiento de electricidad está creciendo a medida que se instala más energía renovable, ya que las principales fuentes de energía renovable, como la eólica y la solar, son variables, y las baterías pueden ayudar a almacenar energía para cuando se necesite.

Las baterías de iones de litio no son ideales para el almacenamiento estacionario, a pesar de que hoy en día se usan comúnmente para ello. Si bien las baterías de los vehículos eléctricos son cada vez más pequeñas, livianas y rápidas, el objetivo principal del almacenamiento estacionario es reducir los costos. El tamaño y el peso no importan tanto para el almacenamiento en rejilla, lo que significa que es probable que prevalezcan distintas químicas.

Una estrella en ascenso en el almacenamiento estacionario es el hierro, y dos jugadores podrían ver progreso el próximo año. Form Energy está desarrollando una batería de hierro-aire que utiliza un electrolito a base de agua y básicamente almacena energía mediante oxidación reversible. La compañía anunció recientemente una planta de fabricación de $ 760 millones en Weirton, West Virginia, cuya construcción está programada para comenzar en 2023. Otra compañía, ESS, está construyendo un tipo diferente de batería de hierro que emplea una química similar; ha comenzado a fabricar en su sede en Wilsonville, Oregón.

Las baterías de iones de litio siguen mejorando y abaratando, pero los investigadores están ajustando aún más la tecnología para lograr un mayor rendimiento y menores costos.

Parte de la motivación proviene de la volatilidad de los precios de los materiales de las baterías, lo que podría llevar a las empresas a cambiar la química. "Es un juego de costos", dice Sekine.

Los cátodos suelen ser una de las partes más caras de una batería, y un tipo de cátodo llamado NMC (níquel manganeso cobalto) es la variedad dominante en las baterías EV en la actualidad. Pero esos tres elementos, además del litio, son costosos, por lo que reducir algunos o todos podría ayudar a reducir los costos.

Este año podría ser un año decisivo para una alternativa: el fosfato de hierro y litio (LFP), un material de cátodo de bajo costo que a veces se usa para baterías de iones de litio.

Las nuevas políticas agresivas de EE. UU. se pondrán a prueba en 2023. En última instancia, podrían fragmentar la industria mundial de semiconductores.

Las mejoras recientes en la química y la fabricación de LFP han ayudado a aumentar el rendimiento de estas baterías, y las empresas se están moviendo para adoptar la tecnología: la participación de mercado de LFP está creciendo rápidamente, de aproximadamente el 10 % del mercado mundial de vehículos eléctricos en 2018 a aproximadamente el 40 % en 2022. Tesla ya está usando baterías LFP en algunos vehículos, y fabricantes de automóviles como Ford y Volkswagen anunciaron que planean comenzar a ofrecer algunos modelos EV con la química también.

Aunque la investigación de baterías tiende a centrarse en la química de los cátodos, los ánodos también están en línea para obtener un cambio de imagen.

La mayoría de los ánodos de las baterías de iones de litio actuales, independientemente de la composición de sus cátodos, utilizan grafito para contener los iones de litio. Pero alternativas como el silicio podrían ayudar a aumentar la densidad de energía y acelerar la carga.

Los ánodos de silicio han sido objeto de investigación durante años, pero históricamente no han tenido una vida útil lo suficientemente larga como para durar en los productos. Ahora, sin embargo, las empresas están comenzando a expandir la producción de los materiales.

En 2021, la startup Sila comenzó a producir ánodos de silicio para baterías en un dispositivo de fitness portátil. La compañía recibió recientemente una subvención de $100 millones del Departamento de Energía para ayudar a construir una planta de fabricación en Moses Lake, Washington. La fábrica servirá a la asociación de Sila con Mercedes-Benz y se espera que produzca materiales para baterías EV a partir de 2025.

Otras nuevas empresas están trabajando para mezclar silicio y grafito para obtener ánodos. OneD Battery Sciences, que se ha asociado con GM, y Sionic Energy podrían dar pasos adicionales hacia la comercialización este año.

La Ley de Reducción de la Inflación, que se aprobó a fines de 2022, reserva casi $ 370 mil millones en fondos para el clima y la energía limpia, incluidos miles de millones para la fabricación de baterías y vehículos eléctricos. "Todo el mundo tiene en mente el IRA", dice Yet-Ming Chiang, investigador de materiales en el MIT y fundador de varias compañías de baterías.

La IRA otorgará préstamos y subvenciones a los fabricantes de baterías en los EE. UU., aumentando la capacidad. Además, los créditos fiscales para vehículos eléctricos en la ley incentivan a los fabricantes de automóviles a obtener materiales para baterías en los EE. UU. o de sus socios de libre comercio y fabricar baterías en América del Norte. Debido tanto a la financiación de la IRA como a las restricciones de los créditos fiscales para vehículos eléctricos, los fabricantes de automóviles seguirán anunciando nuevas capacidades de fabricación en los EE. UU. y encontrando nuevas formas de obtener materiales.

Los materiales de la batería pronto serán escasos. Las instalaciones de reciclaje como una de Redwood Materials podrían ayudar a llenar los vacíos.

Todo eso significa que habrá cada vez más demanda de los ingredientes clave de las baterías de iones de litio, incluidos el litio, el cobalto y el níquel. Un resultado posible de los incentivos de IRA es un aumento en el interés ya creciente en torno al reciclaje de baterías. Si bien no habrá suficientes EV saliendo de la carretera en el corto plazo para satisfacer la demanda de algunos materiales cruciales, el reciclaje está comenzando a calentarse.

CATL y otras empresas chinas han liderado el reciclaje de baterías, pero la industria podría experimentar un crecimiento significativo en otros mercados importantes de vehículos eléctricos como América del Norte y Europa este año. Redwood Materials, con sede en Nevada, y Li-Cycle, que tiene su sede en Toronto, están construyendo instalaciones y trabajando para separar y purificar los metales clave de las baterías, como el litio y el níquel, para reutilizarlos en baterías.

Está previsto que Li-Cycle comience a poner en marcha su principal instalación de reciclaje en 2023. Redwood Materials comenzó a producir su primer producto, una lámina de cobre, en su instalación en las afueras de Reno, Nevada, y recientemente anunció planes para construir su segunda instalación a partir de este año en Charleston. , Carolina del Sur.

Con la avalancha de dinero de la IRA y otras políticas en todo el mundo alimentando la demanda de vehículos eléctricos y sus baterías, 2023 será un año digno de atención.

Esta historia es parte de la serie What's Next de MIT Technology Review, en la que analizamos industrias, tendencias y tecnologías para brindarle una primera mirada al futuro.

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