QuantumScape logra lo que Toyota y Samsung no han podido conseguir todavía: baterías de estado sólido de 1.000 ciclos con sulfuro y sin prensas de 5.000 kilos

QuantumScape ha dado un paso que muchos en la industria llevaban tiempo intentando conseguir o al menos, anunciar. La compañía estadounidense ha presentado Osprey, una nueva plataforma de batería de estado sólido que sustituye el líquido de su cátodo por un electrolito sólido de sulfuro. Según la empresa, sus celdas han completado 1.000 ciclos completos conservando el 80 % de su capacidad, y lo han hecho a una presión de apenas una atmósfera. Es decir, sin prensas.

El anuncio llega acompañado de un documento técnico que permite mirar los datos con lupa a los más adictos a las baterías.

El gran problema de los sulfuros: la presión

Para entender por qué importa este anuncio, hay que empezar por el talón de Aquiles de las baterías de sulfuro. Toyota, Samsung SDI, BYD o Factorial apuestan por esta química, pero sus celdas suelen necesitar un fuerte apriete mecánico para funcionar bien.

¿De cuánto apriete o presión hablamos? QuantumScape lo ilustra con un ejemplo muy gráfico. Aplicar 20 atmósferas sobre una sola celda de 10 x 24,2 cm equivale a unos 5.000 kilos de fuerza. Más o menos, el peso de tres coches encima de una batería. Mantener esa presión en todo un paquete exige placas de acero muy gruesas y tirantes metálicos, lo que se traduce en más peso, más volumen y más coste.

Y 20 atmósferas es, en realidad, una cifra modesta. En laboratorio, muchas celdas de sulfuro trabajan entre 30 y más de 100 atmósferas, y algunas incluso por encima. Sin ir más lejos, la china FAW presentó en septiembre celdas de gran formato que estaban encerradas a 50 atmósferas y en ese momento hablaba de “baja presión”.

Qué cambia entre QSE y Osprey

La plataforma QSE, que incluye la celda QSE-5 que la empresa ya envía como muestra desde su línea piloto Eagle Line en San José, combina un separador cerámico con un cátodo NMC de níquel bastante convencional y un catolito líquido. Lo sólido, por tanto, es el separador.

Ese separador se sitúa entre el cátodo y un ánodo de litio metálico que, curiosamente, QuantumScape no fabrica. La celda se ensambla sin ánodo (“anode-free”): el litio se deposita contra el separador durante la primera carga.

Osprey conserva ese separador cerámico y ese diseño sin ánodo. La diferencia está en el cátodo, donde el líquido desaparece y entra un electrolito sólido de sulfuro. Como resultado, toda la celda pasa a ser sólida.

Durante años esta empresa ha defendido que los sulfuros no sirven como separadores, y el nuevo documento insiste en ello. De hecho, siempre ha hablado de las limitaciones propias del material.

Los datos de Osprey

Una celda de dos capas con un cátodo de 50 x 65 mm (la misma superficie que el de la QSE-5) completó 1.000 ciclos manteniendo cerca del 80 % de su capacidad.

Las condiciones de la prueba fueron realistas:

• Carga y descarga completas a 1C.
• Del 0 % al 100 % de estado de carga.
• 30 °C de temperatura.
• 1 atmósfera de presión.
• Carga del cátodo de 5,5 mAh/cm², en línea con las celdas comerciales de vehículos eléctricos.

Carga rápida en cinco minutos y a 80 °C

El comunicado de prensa habla de una carga del 10 % al 80 % en cinco minutos. Esa cifra se logró a 10C, en una celda de dos capas y a 80 °C  por lo que la alta temperatura es lo que hace posible esa carga de cinco minutos.

Es cierto que las baterías cargan mucho más rápido en caliente, y que los eléctricos preacondicionan el paquete antes de enchufarse a un cargador rápido. Pero 80 °C está muy por encima de lo habitual en ese preacondicionamiento.

Frío: un buen dato en una celda diminuta

Osprey funciona hasta -20 °C y es que a -20 °C conservó el 68 % de su capacidad a temperatura ambiente (alrededor del 52 % de su energía). A 0 °C, el 85 %. Para un sistema de sulfuro, que históricamente ha necesitado calor para rendir, el resultado tiene mérito.

La cifra de hasta unos 1.100 Wh/L es una estimación. QuantumScape sostiene que los catolitos de sulfuro permiten cátodos de alta carga, de 10 mAh/cm², aproximadamente el doble que las celdas actuales de vehículos eléctricos.

El ensayo que respalda esa idea, sin embargo, se hizo con una celda tipo botón de 11 mm, a 3 atmósferas (no a 1) y durante solo 100 ciclos. Como referencia, la QSE-5 tiene una densidad nominal de 844 Wh/L y 301 Wh/kg.

Cómo va la carrera de la batería de estado sólido

• Samsung SDI quiere producir en masa celdas de sulfuro totalmente sólidas en su planta de Ulsan en la segunda mitad de 2027.
• BYD prevé una producción en pequeños lotes en 2027 y la fabricación en masa hacia el final de la década.
• Toyota apunta a 2027-2028, después de haber retrasado sus objetivos de 2020, 2023 y 2026.
• Factorial aspira a alcanzar hasta 450 Wh/kg con su plataforma de sulfuro Solstice.
• CATL, el mayor fabricante de baterías del mundo, advirtió en junio que el estado sólido para el gran público aún tardará años, en torno a 2030.

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¿Por qué el litio se deposita contra el separador en una celda sin ánodo como la QSE-5?

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