Incluso después de solucionar lo de las explosiones, las Superbaterias son difíciles de fabricar

Foto: Jan Woitas/picture alliance/Getty Images

 

QuantumScape ha lanzado su primer datos, y los científicos están impresionados batería

Por Steve LeVine

Traducido por L. Domenech

Hace medio siglo, Exxon fue pionera y luego abandonó una nueva batería de gran éxito basada en litio metálico puro, un elemento ligero que contenía la mayor cantidad de energía del mercado, pero que también ocasionaba explosiones peligrosas. Durante las décadas siguientes, numerosas empresas y laboratorios intentaron resucitar el esfuerzo de Exxon pero fracasaron en el mismo problema: la propensión de las baterías metálicas de litio a cortocircuitarse y prenderse fuego. Esa larga historia de fallas se encuentra detrás de la publicación de datos esta semana por parte de dos compañías de alto perfil que afirman avances en el litio metálico que podrían llevar a vehículos eléctricos a precios muy por debajo de los automóviles de gasolina. Las divulgaciones - hoy por QuantumScape, respaldado por VW, que se hizo pública la semana pasada; y el próximo jueves de Solid Power, con sede en Denver, respaldado por Ford, no acabará con el escepticismo sobre la realidad de la comercialización de baterías de litio metálicas. Pero varios investigadores destacados que examinaron los datos de QuantumScape dijeron en entrevistas que estaban impresionados con lo que vieron, especialmente porque la batería de la empresa se describía funcionando a temperatura normal y cargándose en 15 minutos o menos. Entre otras compañías que también están en la carrera, GM dijo el mes pasado que estaba trabajando en una batería de litio metálica que, si se desarrolla más, podría alimentar sus modelos EV de mediados de la década. Otros dos competidores de alto perfil son Samsung de Corea del Sur, que publicó un artículo muy discutido sobre litio metálico en la prestigiosa revista Nature en marzo; y la startup Sion Power. Con todos estos esfuerzos juntos, tenemos un scrum compitiendo para entregar finalmente la superbatería de litio metálica. "El santo grial de las baterías de iones de litio es volver al metal de litio", me dijo Stan Whittingham, quien compartió el Premio Nobel de Química el año pasado como inventor de la abortada batería de litio metálica de Exxon, en una entrevista en video. Whittingham, quien se desempeña como miembro pagado de un comité asesor científico en QuantumScape, dijo que la compañía parece estar por delante de la competencia en términos de desarrollo de litio metálico. El frenesí en torno al litio metálico se debe a la enorme energía adicional que podría conferir. Debido a la volatilidad del litio metálico y su propensión a generar picos agudos que producen cortocircuitos, llamados dendritas, los fabricantes de baterías siempre han usado solo pizcas de litio en una celda. Este concepto fue desarrollado en la década de 1980 por John Goodenough, un físico estadounidense que trabajaba en ese momento en la Universidad de Oxford y Bell Labs. La idea era transportar iones de litio entre los dos electrodos de la batería: se almacenaría dentro de un electrodo negativo basado en grafito, llamado ánodo. En la descarga, el litio se movería al electrodo positivo, el cátodo. Cuando se carga de nuevo, el litio se transporta de regreso para su almacenamiento en el ánodo de grafito, y así sucesivamente. Al usar cantidades tan pequeñas de litio, la batería Goodenough-Bell, comercializada por Sony en 1991, era mucho más segura que usar litio metálico puro. Pero también perdió la gran cantidad de litio metálico puro. En las tres décadas posteriores, los investigadores han estado trabajando para recuperar ese esfuerzo.

La solución de QuantumScape ha sido utilizar un electrolito sólido, la capa que separa los dos cátodos, compuesto de un material cerámico flexible que acordona el litio de cualquier líquido o permite que las dendritas sobresalgan en el resto de la batería. En una entrevista, el CEO de QuantumScape, Jagdeep Singh, no reveló la composición del material, pero el consenso en el campo es que es una cerámica a base de granate conocida como LLZO. QuantumScape pasó sus primeros cinco años de existencia identificando el híbrido correcto de material para que sirviera como su electrolito sólido, luego cinco años más para confirmar que el material podría producirse con equipo estándar, imprescindible si se deseaba obtener una amplia aceptación. El resultado son celdas de una sola capa, ensambladas a mano, del tamaño de una baraja. Los datos muestran un gran volumen de litio, de 15 a 20 micrones, yendo y viniendo de las celdas 800 veces a la temperatura cálida normal de 30 grados Celsius, y al final de este ejercicio manteniendo al menos el 80% de la capacidad de la batería. Eso equivale a 240.000 millas de vida. Hasta ahora, el uso de litio metálico ha requerido una carga lenta de hasta 10 horas para no estresar el material y desencadenar el crecimiento de dendritas. Pero Singh sugirió que con el diseño de QuantumScape, el propietario de un vehículo podría cargar rápidamente en 15 minutos o menos un número ilimitado de veces sin crear dendritas. "De hecho, podemos cargarlo tan rápido como el cátodo puede entregar, básicamente poner el piso y hacer una carga de 15 minutos ... lo cual es realmente notable", dijo Singh. Ahora la empresa debe descubrir cómo producir estas celdas en hojas grandes a alta velocidad en las máquinas largas, de tamaño de fábrica, de rollo a rollo y que operan continuamente. Y para producir su material cerámico esencialmente libre de defectos, sin golpes, pellizcos, agujeros u otras imperfecciones a través de las cuales algo de litio metálico puro podría perforar y cortocircuitar la batería. Y no lo haga en capas individuales, sino en pilas de 100 capas. Singh minimiza la escala de la tarea que queda. La parte difícil fue el material, dijo. Lo que queda es “no química. Es ingeniería / fabricación ". Por supuesto, Elon Musk, hablando de sus propios proyectos en el Día de la Batería Tesla en septiembre, dijo lo contrario: que la parte difícil es la fabricación. "Es al menos de 10 a 100 veces más difícil hacer la fábrica que el prototipo", dijo Musk. “Es por eso que ves muchas empresas o startups, sacarán un prototipo pero simplemente no pueden superar el obstáculo de la fabricación. Porque la fabricación de nueva tecnología es lo más difícil con diferencia. El prototipo tiene en el mejor de los casos el 10% de la dificultad y probablemente más cerca del 1% ". Otra cosa que Singh dijo que le da confianza es que tiene un cofre de guerra de alrededor de $ 1.1 mil millones, lo que ofrece una libertad considerable para la experimentación y los errores.

Pueden surgir otros problemas. Michael Fetcenko, presidente ejecutivo de Sion Power, un fabricante de baterías de litio metálicas con sede en Tuscon, dijo que su compañía tiene patentes que otros en el campo tendrán que licenciar. No dijo cuánto costarían esas licencias, pero a juzgar por otras tecnologías importantes, las licencias pueden ser caras. “Es probable que todos los que trabajen en este campo se topen con nuestras patentes”, me dijo. Dijo que incluye QuantumScape. Además, ahora que QuantumScape aparece en la lista pública, es vulnerable a la opinión pública y debe encontrar la manera de equilibrar su inclinación por el secreto con lo que es necesario para sofocar el escepticismo. La semana pasada, Mark Newman, un analista de Sanford Bernstein, inició la cobertura de QuantumScape con una calificación de desempeño inferior, diciendo que el riesgo de fabricación de la empresa es bastante alto. El precio de las acciones de QuantumScape se desplomó más del 24%. Finalmente, el desarrollo de la batería es un objetivo en movimiento. El caballo de batalla de iones de litio se está volviendo cada vez más barato, acelerado por el objetivo de Musk de reducir los costos de su batería muy por debajo de los $ 100 por kWh en el nivel del paquete, que si tiene éxito reduciría seriamente el precio de los autos convencionales de gasolina. Si él y otros tienen éxito con tales recortes en los costos de iones de litio, disminuirían la importancia de los avances de QuantumScape. "¿Es eso suficiente para gastar miles de millones para intentar realizarlo a gran escala?" dijo Paul Albertus, profesor de la Universidad de Maryland a quien QuantumScape informó sobre su batería antes del anuncio de hoy. Aún así, si nos enfocamos solo en lo que se ha hecho hasta la fecha, se ha logrado mucho, sugiere Venkat Srinivasan, director del Centro Colaborativo para la Ciencia del Almacenamiento de Energía en el Laboratorio Nacional Argonne. Dijo que cuando vio los datos por primera vez, "Mi reacción instintiva fue, 'Eso es genial'". Desde entonces, han surgido preguntas en la mente de Srinivasan, como cómo QuantumScape lidiará con el inevitable factor de defectos en el material cerámico. "Cuando lo hace en grandes volúmenes, ¿obtiene siempre la misma calidad?" preguntó. Pero en general, dijo, “parece que pueden obtener una carga de alta corriente sin dendritas, una buena eficiencia de enchapado / decapado y pueden mover una gran cantidad de litio con la delgadez adecuada del separador. Todo esto parece muy impresionante ".

El Articulo original se puede leer en inglés en Medium / The Movilist

Addemdum

En una publicación de datos cuidadosamente administrada, QuantumScape anunció que su batería de metal de litio llevaría a un automóvil 240,000 millas y se recargaría en 15 minutos. Los datos muestran que las células funcionan relativamente bien en temperaturas frías. Ayer escribí en The Mobilist sobre cómo la compañía de baterías con sede en San José está minimizando lo que debe hacer a continuación: escalar desde una celda de una sola capa a 100 capas, hacer su separador sin defectos y hacerlo de manera rápida y continua. Pero cuando habla de su propio trabajo, Elon Musk dice que la ampliación es el 99% del esfuerzo. El prototipo es solo del 1%. QuantumScape también se quedó corto en asegurar a los escépticos legítimos de la batería: ha ofrecido evaluaciones de expertos pagadas, en lugar de una evaluación independiente de terceros, como la de un laboratorio del Departamento de Energía (DOE). Ante estos hechos importantes, vemos una empresa poco transparente en lugar de una que intenta ofrecer confianza al mundo.