Así se ensamblan las baterías de litio: ¿cuál es el método idóneo para la futura generación en estado sólido?

¿Sabes realmente lo que esconde la batería de tus equipos tecnológicos, como el teléfono móvil, o mismamente la de un coche eléctrico? Con el paso de los años, las baterías de litio se han convertido en las más populares y utilizadas en múltiples aplicaciones de nuestro día a día.

En los coches eléctricos, no obstante, su ensamblaje supone siempre un desafío importante, ya que se tienen que combinar cientos o miles de celdas de batería individuales para que, en conjunto, almacenen la energía necesaria para mover el vehículo. Estas celdas se ensamblan en «subunidades» llamadas módulos, que luego se juntan en lo que llamamos «paquetes de baterías». El último paso consiste en construir todo el «sistema» de gestión de la batería, que suele incluir el propio sistema de refrigeración.

Ahora bien, más allá de hablar de los diferentes componentes o materias primas utilizadas en su composición, de hablar de los diferentes tipos disponibles, como las propias de iones de litio o LFP (litio-ferrofosfato), está bien conocer que existen también diferentes formas de empaquetar las celdas de las baterías en los coches eléctricos.

Una lección que nos explica de forma muy gráfica la compañía estadounidense QuantumScape para entender, sobre todo, las posibilidades existentes para empaquetar la futura generación de baterías de estado sólido que están por venir.

Tres formas de empaquetar las baterías de litio

Las baterías compuestas de iones de litio para coches eléctricos se pueden empaquetar de tres formas diferentes:

• Cilíndricas: la más habitual que podamos conocer, con un diseño de «capa enrollada». Sus ventajas residen en su alta capacidad de fabricación, su buena densidad energética y su robustez; sin embargo, aunque las hayamos visto en algunos coches eléctricos, no son las idóneas porque en su diseño se quedan mucho espacio desperdiciado entre las celdas individuales. Esto, como te podrás imaginar, termina por reducir la densidad energética del paquete y, en consecuencia, la autonomía del vehículo.
• Prismáticas: son las más útiles en los vehículos eléctricos, con un diseño de «capas apiladas/dobladas», como si de una baraja de cartas se tratase. Ofrecen una excelente eficiencia y una ventajosa gestión térmica, gracias a que se pueden enfriar a través de la parte inferior del paquete. Entre sus desventajas: que son más difíciles de fabricar, sobre todo la parte superior de la celda, además de su mala densidad energética. Son, además, menos rígidas que las de un cilindro, por lo que las paredes de las celdas deben ser más gruesas, lo que añade peso y coste.
• Bolsa: es un diseño mucho más simple que las anteriores, en «capas apiladas». En realidad, son capas de ánodo, separador y cátodo apiladas y encerradas en un material laminado flexible hecho de plástico y aluminio. Son una opción más barata, ya que se fabrican con materiales más económicos y sin muchas piezas complejas, y ofrecen una buena densidad de energía a nivel de celda. Sin embargo, son más frágiles, por lo que atraen más riesgos de seguridad; es por ello que deben estar protegidas por una estructura más robusta, pesada y compleja.

La solución de QuantumScape para su nueva batería sólida

Esta explicación nos sirve para entender las posibilidades que tienen los fabricantes de baterías como QuantumScape, que lleva más de una década investigando una tecnología de baterías de litio-metal de estado sólido.

Este tipo de baterías tiene una peculiaridad: la celda se expande sobre el separador y, cuando está completamente cargada, dicha celda es más gruesa. En un diseño sin ánodos como el de QuantumScape, esta expansión es aún más pronunciada (como puedes comprobar en la imagen de apertura), lo que se traduce en un desafío mayor a la hora de escoger un formato de celda apropiado.

¿Cuál es la solución idónea de las vistas anteriormente? Descartada la opción cilíndrica, ya que la expansión provocaría que las capas intenten desenrollarse, que se ejerza presión interna y se dañe la estructura interna, QuantumScape ha logrado patentar su formato de celda «FlexFrame» utilizando un cruce entre el diseño de bolsa convencional y el de una celda prismática. Ambas opciones son ideales por separado, pero con salvedades.

Por ejemplo, la expansión de las capas anódicas en una celda prismática limitaría el rendimiento de la carga rápida y ocuparía espacio adicional, afectando a su densidad energética. En las celdas de bolsa, se necesitaría un disipador de calor menos ideal, se aumentarían los costes, la complejidad y el peso total.

Así llegamos a la celda patentada de QuantumScape: la llamada «FlexFrame» cuenta con un marco que envuelve el borde de la pila de celdas y con una capa exterior exterior de polímero flexible. La celda, diseñada para disipar el exceso de calor durante cargas rápidas, ofrece también una buena eficiencia en su conjunto.

«Creemos que este enfoque diseñado específicamente puede desbloquear el mayor potencial para cumplir verdaderamente la promesa de una celda de batería de litio-metal de alto rendimiento», asegura QuantumScape, uno de los actores más destacados en el desarrollo de baterías de electrolito sólido y que cuenta con el respaldo del Grupo Volkswagen.