Baterías de iones de sodio frente a estado sólido que reemplazarán el iones de litio

El aumento de la energía renovable (RE) y el rápido crecimiento de los vehículos eléctricos han aumentado las expectativas para la industria del almacenamiento de energía, incluida una mayor eficiencia, mayor seguridad, mayor densidad de energía e idealmente, más bajos costos. Las baterías de iones de sodio y estado sólido tienen como objetivo ofrecer soluciones alternativas. Cada uno tiene sus propias ventajas y podría reemplazar las tecnologías de almacenamiento de iones de litio existentes en los próximos años.

En este artículo, exploramos por qué las baterías de iones de litio pueden estar en riesgo de eliminar gradualmente, incluso si ese riesgo todavía parece mínimo hoy. Nos centramos en dos tecnologías emergentes con el potencial más fuerte para dominar el futuro del almacenamiento de energía: baterías de iones de sodio y baterías de estado sólido.

Las baterías de iones de litio actualmente dominan el sector de almacenamiento de energía y se espera que mantengan esta posición a mediano plazo. Desde dispositivos portátiles hasta proyectos de energía renovable + almacenamiento a gran escala, la tecnología de iones de litio está liderando el camino en todas las tendencias principales.

Según un informe reciente, el mercado de materiales de batería de iones de litio se está expandiendo rápidamente debido a la creciente demanda en múltiples industrias. Se proyecta que crecerá de USD 41.9 mil millones en 2024 a más de USD 120 mil millones para 2029, con una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) de aproximadamente 23.6%.

Hoy, el mercado de baterías de iones de litio está dirigido por principales actores como Tesla, Panasonic, LG Chem, CATL y BYD. En particular, las dos últimas compañías chinas han logrado un progreso significativo en los últimos dos años.

Mientras que el aumento de los vehículos eléctricos es un importante impulsor de este crecimiento, elalmacenamiento de energía estacionariaSe espera que el mercado genere una demanda aún mayor en los próximos años.

Es bien sabido que las baterías de iones de litio dependen en gran medida de minerales críticos como el litio, y a menudo también cobalto y níquel. Las restricciones de suministro han llevado a una volatilidad significativa de los precios. Por ejemplo, el costo del carbonato de litio de grado de batería ha fluctuado de alrededor de USD 5.8 por kilogramo a hasta USD 80 en los últimos años. Esta volatilidad y escasez han aumentado el costo de las baterías de iones de litio y representan un riesgo de suministro a largo plazo.

Un problema urgente es la falta de una cadena de suministro de litio robusta en los principales mercados fuera de China. Por ejemplo, alrededor del 77% del grafito utilizado en baterías de iones de litio proviene de China. Esto resalta la gran dependencia de la oferta china en una era de tensiones comerciales mundiales y subraya la importancia de la diversificación de la oferta.

Los riesgos de seguridad, como los incendios de baterías en vehículos eléctricos causados ​​por fugas térmicas, agregan otra capa de preocupación.

Estos factores están allanando el camino para una nueva generación de tecnologías de almacenamiento de energía. Si bien las empresas fuera de China buscan activamente alternativas que no dependen del litio, los líderes del mercado chino también son conscientes de que su dominio podría estar en riesgo. De hecho, muchos de ellos ya se han mudado rápidamente al desarrollo de la batería de iones de sodio y en estado sólido para garantizar que se mantengan por delante de la curva.

Las baterías de estado sólido (SSB) reemplazan los electrolitos líquidos utilizados en baterías de iones de litio con electrolitos sólidos, como cerámica, vidrio o polímeros sólidos. Al eliminar el voluminoso ánodo de grafito y usar materiales sólidos densos, los SSB pueden almacenar significativamente más energía en el mismo volumen, lo que potencialmente extiende la gama de vehículos eléctricos (EV) en un amplio margen.

Varios actores clave de la industria ya han reconocido el potencial transformador de esta tecnología. Por ejemplo, en 2024, Quantumscape dio a conocer su prototipo de batería de estado sólido (QSE -5) con una densidad de energía de 844 WH/L, sustancialmente más alta que las 300–700 WH/L típicas de las baterías comerciales de iones de litio. La compañía planea entregar sus primeras celdas de capa comerciales 100+ (QSE -5) en 2025. Esta densidad de energía es aproximadamente 1.5 veces mayor que las de las mejores células de iones de litio, lo que podría traducirse en un aumento del 20-50% en el rango de conducción sin aumentar el tamaño de la batería o el peso.

El gigante de la batería de China, CATL (contemporáneo Amperex Technology Co. Ltd.), también ha aumentado significativamente su inversión en el desarrollo de SSB, ampliando su equipo dedicado de I + D a más de 1, 000 personas. CATL se dirige a la producción a pequeña escala de baterías de estado sólido para 2027.

Toyota ha anunciado un cronograma de comercialización para los EV de pasajeros equipados con baterías de estado sólido entre 2027 y 2028. La compañía afirma que esta innovación podría aumentar el rango de conducción hasta un 20%. En 2023, la alimentación sólida suministró a BMW con celdas A-Sample para su uso en su programa de vehículos de demostración. Otros líderes importantes de la industria, incluidos Volkswagen, Hyundai, Nissan, BMW y Toyota, también han realizado inversiones estratégicas en el espacio de baterías de estado sólido.

Más allá del aumento del rango, las baterías de estado sólido también demuestran capacidades superiores de carga rápida. Gracias a la excelente estabilidad térmica y conductividad iónica, los SSB pueden soportar tasas de carga ultra rápidas sin dañar las células. Toyota, por ejemplo, espera que su tecnología de batería de estado sólido permita una recarga de rango de 300 km en solo 15 minutos, dos o tres veces más rápidas que las velocidades actuales de carga rápida de la mayoría de los EV de iones de litio, que generalmente tardan aproximadamente 30 minutos en cargarse del 10% al 80%.

El uso de electrolitos sólidos, que no son inflables, elimina uno de los riesgos de seguridad clave de las celdas de batería tradicionales. Los electrolitos de cerámica o vidrio sólido no se incendian y pueden funcionar en un rango de temperatura más amplio. También permanecen estables a voltajes más altos, lo que permite el uso de materiales de cátodo de alta capacidad y suprimiendo el crecimiento de la dendrita de litio, lo que mejora la vida útil del ciclo y la seguridad.

Además, los SSB pueden ser más fáciles de reciclar debido a su diseño más simple, sin la necesidad de mezclas complejas de solventes y aglutinantes, y evite el uso de aditivos y adhesivos problemáticos.

Con tantas ventajas, uno podría suponer que las baterías de estado sólido reemplazarían fácil y rápidamente las baterías de iones de litio. Sin embargo, si no es porsu alto costo, Los SSB podrían haberse hecho cargo.

El costo sigue siendo la barrera más significativa para la adopción generalizada. BMW Group, por ejemplo, ha reconocido este desafío. Si bien se espera que la compañía presente un vehículo prototipo equipado con baterías de estado sólido a finales de este año, ha declarado que es poco probable que un lanzamiento comercial de vehículos eléctricos a motor SSB sea poco probable en la próxima década.

El fabricante chino de baterías Sunwoda ha estimado que las baterías de estado sólido podrían costar$ 275 por kWh, aproximadamente a la par con baterías de estado semisólido. Sin embargo, debido aAltos costos de procesamiento de materialesybajos rendimientos de fabricación, el costo real podría ser significativamente mayor en la práctica.

Hasta que se aborden estos desafíos, particularmente en la producción de la producción y la reducción de los costos de los materiales, es probable que las baterías de estado sólido permanezcan en el segmento de la etapa temprana o premium del mercado, en lugar de lograr un despliegue comercial generalizado.

En comparación, a partir de diciembre de 2024, el precio promedio de los paquetes de baterías de iones de litio en China había caído a$ 94 por kWh. Los precios en los Estados Unidos y Europa permanecen30% a 50% más alto, pero aún significativamentemás bajo que los de las baterías de estado sólido.

Tal como,El costo sigue siendo un cuello de botella importanteQue los proponentes de la tecnología de batería de estado sólido deben superar para realmente interrumpir el mercado de almacenamiento de energía. A este respecto,Las baterías de iones de sodio y iones de litio están muy por delantede baterías de estado sólido.

Otros desafíos críticos incluyenampliar la producción, particularmente en elFabricación de masa de electrolitos cerámicosy elasamblea confiablede células de estado sólido. Gestionar elinterfaz entre electrolitos sólidos y electrodosTambién es una preocupación, ya que puede dar como resultado una alta resistencia interfacial o agrietarse en múltiples ciclos de carga de carga, los cuales obstaculizan la comercialización a gran escala.

Además, asegurandoDurabilidad en condiciones de estrés del mundo real, como la vibración, las fluctuaciones de temperatura y la carga rápida, sigue siendo uno de los obstáculos técnicos más apremiantes.

Las baterías de estado sólido mejoran la tecnología de iones de litio cambiando el electrolito y aumentando la densidad de energía, pero su alto costo sigue siendo un gran desafío. En contraste, las baterías de iones de sodio (NA-ion) enfrentan el problema opuesto. Al intentar reemplazar los elementos utilizados en las baterías de iones de litio con materiales más comunes, el costo de las baterías de iones de sodio podría caer significativamente, pero enfrentan desafíos en términos de densidad de energía.

Las baterías de iones de sodio funcionan de la misma manera que las baterías de iones de litio (los iones transbordan entre el cátodo y el ánodo, pero usan iones de sodio en lugar de iones de litio. Este cambio cambia todo, desde elFacilidad de abastecimiento de materia primahaciaasequibilidad- Que es uno de los factores clave que determinarán la tecnología de batería convencional futura.

El bajo costo de las baterías de iones de sodio significa que para 2030, explicaránMenos del 10% de las baterías de vehículos eléctricos, pero su parte enalmacenamiento de energíaSe espera que las aplicaciones aumenten significativamente. Uso de baterías de iones de sodiomateriales más baratosy no requieren litio, lo que significa que sus costos de producción podrían ser30% más bajo que el del fosfato de hierro de litio (LFP)baterías.

El mayor atractivo de la tecnología de iones de sodio radica en su capacidad para aprovecharMateriales abundantes y baratospara reemplazar más escasos. Las reservas de sodio en la corteza terrestre son1, 000 veces más grandeque los de litio. El sodio se puede extraer a bajo precio deagua de mar relativamente inagotable.

Gracias a las innovaciones en el campo, las baterías de iones de sodio de grado comercial (NA-ion) ahora han logrado una densidad de energía de alrededor130-160 wh/kg, que se tratados terciosel de las baterías típicas de NMC de iones de litio (cobalto de níquel manganeso). Sin embargo, ya han alcanzado o incluso superaron la densidad de energía debaterías de plomo-ácido, y se están acercando a la defosfato de hierro de litio (LFP)baterías.

Los expertos afirman que la próxima generación de baterías de iones de sodio alcanzaráMás de 200 wh/kg, superando potencialmente el límite de densidad de energía teórico deBaterías LFP. La vida útil típica de las baterías de iones de sodio varía desde100 a 1, 000 ciclos, y el desarrollador indio KPIT afirma que sus baterías mantienen80% de retención de capacidad después de 6, 000 ciclos, comparable al rendimiento de la batería de iones de litio.

Las baterías de iones de sodio también se destacanpotencia y rendimiento de baja temperatura. Algunos diseños son capaces dealrededor de 1 kW/kg de densidad de potencia, que supera con creces el debaterías NMC o LFP de iones de litio. Además, exhiben baterías de iones de sodioDegradación mínima del rendimientoa temperaturas tan bajas como-20 grado, mientras que las baterías de iones de litio luchan por mantener la carga o cargan eficientemente rápidamente en condiciones de frío.

Las baterías de iones de sodio también pueden sercompletamente descargado a 0 vsin causar daño, haciéndolos extremadamente seguros paratransporte y almacenamiento. Debido a la menor generación de calor y el uso de materiales no inflamables en muchos diseños, las baterías de iones de sodio también demuestranestabilidad térmica superior. De hecho, elriesgo de incendiode los paquetes de baterías de iones de sodio se espera que seaSignificativamente más bajoque el de los paquetes de baterías de iones de litio, mejorandoseguridaden aplicaciones como vehículos eléctricos y almacenamiento de red.

Estas características hacen que las baterías de iones de sodio sean una opción atractiva, incluso para los líderes de baterías de iones de litio en China. El año pasado, la primera estación de almacenamiento de energía de batería de iones de sodio a gran escala de China comenzó a operar, una10 MWH Instalación de almacenamiento de batería de iones de sodio, parte de un proyecto de 100 MWh. Esta instalación, construida por China Southern Power Grid, usa210 células de iones de sodio AHy tiene algunos datos impresionantes: la batería puede sercobrado al 90% en solo 12 minutos.

Gigante de fabricación de baterías globalesContemporáneo Amperex Technology Co. Limited (CATL)está claramente ansioso por explorar el potencial de las baterías de iones de sodio. Por ejemplo, está integrando baterías de iones de sodio en suInfraestructura y productos de batería de iones de litio. La compañía reveló que en2023, Fabricante de automóviles chinoCheryse convirtió en la primera compañía en utilizar las baterías de iones de sodio de CATL.

EnEnero de 2024, el fabricante de automóviles más grande en Asia Central y uno de los mayores proveedores de baterías,Byd, anunció planes para construir un$ 1.4 mil millonesFábrica de baterías de iones de sodio con una capacidad de producción anual de30 GWH.

Las empresas europeas también están explorando esta tecnología. El fabricante de baterías ahora bancarrotaNorthvoltlanzó un160 wh/kg de batería de iones de sodioEn noviembre de 2023, que se verificó para su rendimiento. En el Reino Unido,Faradionha sido pionero en la tecnología de batería de iones de sodio durante más de una década. Adquirido por la IndiaIndustrias de confianzaEn 2021, Faradion desarrolló un160 wh/kg de bateríay ahora está lanzando una versión mejorada que se jacta20% de densidad de energía mayory30% de vida ciclista más larga. Reliance Industries también ha anunciado planes para construir unFábrica de baterías de iones de sodio multi-gwhen India, con la producción que probablemente comenzará en2025.

Estos desarrollos indican fuertemente que las baterías de iones de sodio se convertirán en una tecnología capaz de desafiar el dominio de las baterías de iones de litio.

Mientras que las tecnologías de batería emergentes -baterías de iones de sodioybaterías de estado sólido- Muestra un potencial prometedor, es difícil predecir cuál dominará en última instancia. Dadas sus respectivas ventajas, ambas tecnologías pueden desempeñar papeles cruciales en el avanceenergía limpiaytransporte limpioen el futuro.

Si disminuyen los costos de la batería de estado sólido, potencialmente caída de la corriente$ 150+/kwhpara baterías de iones de litio a su alrededor$ 80- $ 100/kwh- Las baterías de estado sólido podrían dominar elsegmentos de alto rendimiento, como vehículos eléctricos, dentro de la próxima década. Este es un escenario plausible. ElAgencia Internacional de Energía (IEA)tiene una visión optimista sobre elCostos de baterías de estado sólido Post -2030, destacando que es probable que la tecnología de estado sólido alcance la viabilidad comercial.

Por otro lado, las baterías de iones de sodio son máscosto-competitivo, haciéndolos muy adecuados paraalmacenamiento de la redymercados emergentes, y se espera que logren el éxito más rápidamente. Muchos seguidores están presionando por la construcción deproyectos a gran escalaen el siguienteDos a tres años. En 2024, elmercado del sistema de almacenamiento de energía de la batería (Bess)creció44%, con capacidad instalada y cantidad de descarga alcanzando69 GW/161 GWH. Notablemente, por2030, se espera que las baterías conduzcan90% del crecimiento del almacenamientopara cumplirobjetivos net-cero.

Como resultado, surgirá una gama de tecnologías de batería en el futuro, conestado sólidoybaterías de iones de sodioprobablemente liderar el camino.