Batería de estado sólido

Una batería de estado sólido ( SSB ) es una batería eléctrica que utiliza un electrolito sólido para conducir iones entre los electrodos , en lugar de los electrolitos líquidos o de polímero en gel que se encuentran en las baterías convencionales. ^{[ 3 ]} Teóricamente, las baterías de estado sólido ofrecen una densidad de energía mucho mayor que las baterías típicas de iones de litio o polímero de litio . ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}

Si bien los electrolitos sólidos se descubrieron por primera vez en el siglo XIX, varios problemas impidieron su aplicación generalizada. Los avances de finales del siglo XX y principios del XXI generaron un renovado interés en la tecnología, especialmente en el contexto de los vehículos eléctricos . A fecha de 2026 , el mercado de baterías de estado sólido aún no ha alcanzado la escalabilidad ni la comercialización. ^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}^{[ 8 ]}

Las baterías de estado sólido pueden usar litio metálico para el ánodo y óxidos o sulfuros para el cátodo , lo que aumenta la densidad de energía. El electrolito sólido actúa como un separador ideal que permite el paso únicamente de iones de litio. Por esta razón, las baterías de estado sólido podrían solucionar muchos problemas de las baterías de iones de litio con electrolito líquido que se utilizan actualmente , como la inflamabilidad, el voltaje limitado, la formación inestable de la interfaz sólido-electrolito, el bajo rendimiento de ciclado y la poca resistencia. ^[⁹^]

Entre los materiales propuestos para su uso como electrolitos se incluyen cerámicas (por ejemplo, óxidos, sulfuros, fosfatos) y polímeros sólidos. Las baterías de estado sólido se encuentran en marcapasos y en dispositivos RFID y portátiles . ^{[ 10 ]} Estas baterías ofrecen mayor seguridad y mayores densidades de energía. Los desafíos para su adopción generalizada incluyen la densidad de energía y potencia , la durabilidad , los costos de los materiales , la sensibilidad y la estabilidad. ^{[ 11 ]}

Historia

Origen

Entre 1831 y 1834, Michael Faraday descubrió los electrolitos sólidos sulfuro de plata y fluoruro de plomo(II) , que sentaron las bases de la iónica de estado sólido . ^{[ 12 ]}^{[ 13 ]} A través de su investigación, Faraday observó que estos compuestos sólidos pasaban de ser aislantes a conductores después de ser calentados. ^{[ 14 ]} Si bien esto tardaría casi otro siglo en ser reconocido por Michael O'Keeffe ^{[ 15 ]} en 1976, esta conducción iónica/electrónica mixta se convirtió en el primer registro de una batería de estado sólido. ^{[ 15 ]}

A finales de la década de 1950, varios sistemas electroquímicos conductores de plata empleaban electrolitos sólidos, a costa de una baja densidad de energía y voltajes de celda, y una alta resistencia interna . ^{[ 16 ]}^{[ 17 ]} En 1967, el descubrimiento de la β-alúmina de conducción iónica rápida para una amplia clase de iones (Li+, Na+, K+, Ag+ y Rb+) impulsó el desarrollo de dispositivos electroquímicos de estado sólido con mayor densidad de energía. ^{[ 18 ]}^{[ 17 ]}^{[ 19 ]} Las primeras fueron celdas de sodio fundido / β-alúmina / azufre desarrolladas en Ford Motor Company en los EE. UU., ^{[ 20 ]} y NGK en Japón. ^{[ 17 ]} Este entusiasmo se manifestó en el descubrimiento de nuevos sistemas tanto en orgánicos, es decir, óxido de poli(etileno) ( PEO ), como inorgánicos como NASICON. ^{[ 17 ]} Sin embargo, muchos de estos sistemas requerían operar a temperaturas superiores a 300 °C (o 572 °F) y eran costosos de producir, lo que limitaba su implementación comercial y la financiación de los esfuerzos de investigación en el espacio. ^{[ 17 ]}

Décadas de 1990 y 2000

En la década de 1990 surgió una nueva clase de electrolito de estado sólido desarrollado por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge , el oxinitruro de litio-fósforo (LiPON). El LiPON se utilizó con éxito para fabricar baterías de iones de litio de película delgada , ^{[ 21 ]} aunque sus aplicaciones se vieron limitadas debido al costo asociado con la deposición del electrolito de película delgada, junto con las pequeñas capacidades que se podían obtener utilizando este formato. ^{[ 22 ]}^{[ 23 ]}

década de 2010

Kamaya et al. demostraron en 2011 el primer electrolito sólido, Li ₁₀ GeP ₂ S ₁₂ (LGPS), capaz de alcanzar una conductividad iónica volumétrica superior a la de sus homólogos de electrolito líquido a temperatura ambiente. ^{[ 24 ]} Con este avance, los conductores iónicos sólidos volumétricos podrían competir tecnológicamente con sus homólogos de iones de litio.

Las empresas automotrices investigaron la tecnología en la década de 2010. Bolloré lanzó en 2011 una flota de sus autos modelo BlueCar que incorporaban una batería de polímero de metal de litio (LMP) de 30 kWh con un electrolito polimérico, creado disolviendo sal de litio en un copolímero de polioximetileno . ^{[ 25 ]} Toyota comenzó a realizar en 2012 investigaciones sobre aplicaciones automotrices de baterías de estado sólido. ^{[ 26 ]} Al mismo tiempo, Volkswagen comenzó a asociarse con pequeñas empresas tecnológicas especializadas en la tecnología. Investigadores de la Universidad de Colorado Boulder anunciaron en 2013 el desarrollo de una batería de litio de estado sólido, con un cátodo compuesto de hierro - azufre sólido que prometía mayor energía. ^[²⁷^] Toyota extendió su asociación de décadas con Panasonic en 2017 para incluir la colaboración en baterías de estado sólido. ^[²⁸^] A partir de 2019, Toyota poseía la mayor cantidad de patentes relacionadas con SSB. ^[²⁹^] En los años siguientes, BMW , ^[³⁰^] Honda , ^[³¹^] Hyundai ^[³²^] (con Solid Power y Samsung ), ^[³³^]^[³⁴^] y Nissan anunciaron por separado esfuerzos de investigación similares sobre baterías de estado sólido . ^[³⁵^]

Fuera del sector automotriz, otras investigaciones y desarrollos en la década de 2010 incluyeron: baterías de estado sólido para electrónica por Qing Tao anunciadas en 2018; ^{[ 36 ]} y una batería de vidrio de estado sólido por John Goodenough , el coinventor de las baterías de iones de litio, presentada en 2017, que cuenta con un electrolito de vidrio y un ánodo de metal alcalino compuesto de litio , sodio o potasio . ^[³⁷^]

década de 2020

Muchas empresas han anunciado su disposición para comercializar baterías de estado sólido a escala de GWh en la década de 2020, pero se desconoce la viabilidad o la madurez tecnológica de sus baterías. Estos anuncios incluyen: ProLogium – capacidad de producción de GWh para 2022; QuantumScape – capacidad de producción de GWh para 2024; Qing Tao – capacidad de producción de GWh para 2020; Ampcera – disponibilidad comercial para 2021; Panasonic y Toyota – madurez del mercado para 2025; Solid Power, BMW y Ford – madurez del mercado para finales de la década de 2020; WeLion – capacidad de producción de GWh para 2022; StoreDot ; Honda – madurez del mercado para 2030; Ionic Materials y Hyundai – madurez del mercado en la década de 2030; y otros. ^{[ 38 ]} Muchas de estas empresas no han comercializado su producto a enero de 2026, y el mercado de baterías de estado sólido aún no ha alcanzado la escalabilidad y la comercialización. ^{[ 39 ]}

Donut Lab , una empresa derivada de la compañía de motocicletas eléctricas Verge, anunció en 2026 que había desarrollado la primera batería de estado sólido lista para la producción comercial. Investigadores e ingenieros de baterías que analizaron los resultados publicados de las pruebas de la batería de Donut Lab encontraron que son consistentes con los resultados de las celdas de batería Li-NMC actualmente disponibles , y la curva de voltaje indica claramente que la química del dispositivo es Li-NMC. ^{[ 40 ]}^{[ 41 ]}^{[ 42 ]}^{[ 43 ]} Existe consenso entre los expertos en baterías de estado sólido de que los resultados de los dos primeros conjuntos de pruebas realizadas por VTT para Donut Lab son insignificantes en términos de uso comercial, ya que no prueban la degradación de la capacidad ni el rendimiento a nivel de paquete . ^{[ 44 ]}

Materiales

Los materiales candidatos para electrolitos de estado sólido (SSE) incluyen cerámicas como el ortosilicato de litio , ^{[ 45 ]} vidrio , ^{[ 37 ]} sulfuros ^{[ 46 ]} y RbAg ₄ I ₅ . ^{[ 47 ]}^{[ 48 ]} Los electrolitos sólidos de óxido de corriente principal incluyen Li _1.5 Al _0.5 Ge _1.5 (PO ₄ ) ₃ (LAGP), Li _1.4 Al _0.4 Ti _1.6 (PO ₄ ) ₃ (LATP), Li _3x La _2/3-x TiO _{3 (LLTO) de tipo perovskita y Li}_6.4 La ₃ Zr _1.4 Ta _0.6 O ₁₂ (LLZO) de tipo granate con Li metálico. ^{[ 49 ]} La estabilidad térmica frente a Li de los cuatro SSE fue en orden de LAGP < LATP < LLTO < LLZO. Los conductores superiónicos de cloruro se han propuesto como otro electrolito sólido prometedor. Son conductores iónicos y sulfuros deformables, pero al mismo tiempo no presentan el problema de la baja estabilidad a la oxidación de los sulfuros. Además, su costo se considera menor que el de los SSE de óxido y sulfuro. ^{[ 50 ]} Los sistemas de electrolitos sólidos de cloruro actuales se pueden dividir en dos tipos: Li ₃ MCl ₆^{[ 51 ]}^{[ 52 ]} y Li ₂ M _2/3 Cl ₄ . ^{[ 53 ]} Los elementos M incluyen Y, Tb-Lu, Sc e In. Los cátodos son a base de litio. Las variantes incluyen LiCoO ₂ , LiNi _1/3 Co _1/3 Mn _1/3 O ₂ , LiMn ₂ O ₄ y LiNi _0.8 Co _0.15 Al _0.05 O ₂ . Los ánodos varían más y se ven afectados por el tipo de electrolito. Algunos ejemplos incluyen In, Si , Ge _x Si _{1− x} , SnO–B ₂ O ₃ , SnS –P ₂ S ₅ , Li ₂ FeS ₂ , FeS, NiP ₂ y Li ₂SiS ₃ . ^{[ 54 ]}

Las baterías de litio-cerámica demuestran mejoras potenciales con la integración de nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT). Los SWCNT crean vías conductoras duraderas y de largo alcance entre las partículas del electrodo, reduciendo eficazmente la resistencia del electrodo y aumentando la densidad de energía. ^{[ 55 ]}

Un material catódico prometedor es el Li–S , que (como parte de una celda de ánodo de litio sólido/Li₂S ₎ tiene una capacidad específica teórica de 1670 mAh/g, "diez veces mayor que el valor efectivo del LiCoO₂ _" . El azufre no es un cátodo adecuado para aplicaciones con electrolitos líquidos porque es soluble en la mayoría de ellos, lo que reduce drásticamente la vida útil de la batería. El azufre se estudia en aplicaciones de estado sólido. ^{[ 54 ]}

Otro cátodo prometedor es el NCM662 (LiNi _0.6 Co _0.2 Mn _0.2 O ₂ ), especialmente cuando se recubre con NiCo ₂ S ₄ mediante un proceso de mezcla acústica resonante. Esto crea un material con una retención de capacidad del 60,6 %, con mínimas reacciones secundarias. ^{[ 56 ]}

Las baterías de Li-O₂ _también tienen una alta capacidad teórica. El principal problema con estos dispositivos es que el ánodo debe estar sellado de la atmósfera ambiente, mientras que el cátodo debe estar en contacto con ella. ^{[ 54 ]}

Una batería de Li/ LiFePO₄ se muestra prometedora como aplicación _de estado sólido para vehículos eléctricos. Un estudio de 2010 presentó este material como una alternativa segura a las baterías recargables para vehículos eléctricos que "superan los objetivos del USABC-DOE". ^{[ 57 ]}

Darren HS Tan et al. ensamblaron una celda con un ánodo de silicio puro μSi||SSE||NCM811 utilizando un ánodo de μSi (pureza del 99,9 % en peso), un electrolito de estado sólido (SSE) y un cátodo de óxido de litio-níquel-cobalto-manganeso (NCM811). Este tipo de batería de estado sólido demostró una alta densidad de corriente de hasta 5 mA cm⁻² ^, un amplio rango de temperatura de funcionamiento (-20 °C y 80 °C) y una capacidad superficial (para el ánodo) de hasta 11 mAh/cm² ⁽ 2890 mAh/g). Al mismo tiempo, después de 500 ciclos a 5 mA cm⁻² ^, las baterías aún proporcionan el 80 % de retención de capacidad, que es el mejor rendimiento de una batería de estado sólido μSi reportado hasta la fecha. ^{[ 58 ]}

Los electrolitos sólidos de cloruro también se muestran prometedores frente a los electrolitos sólidos de óxido convencionales debido a que los electrolitos sólidos de cloruro tienen una conductividad iónica teóricamente mayor y una mejor formabilidad. ^{[ 59 ]} Además, la excepcional estabilidad a la oxidación y la alta ductilidad de los electrolitos sólidos de cloruro contribuyen a su rendimiento. En particular, una familia de electrolitos sólidos de cloruro de metal mixto de litio, Li ₂ In _x Sc _0.666-x Cl ₄ desarrollada por Zhou et al., muestra una alta conductividad iónica (2,0 mS cm ⁻¹ ) en un amplio rango de composición. Esto se debe a que el electrolito sólido de cloruro puede usarse junto con materiales activos de cátodo desnudos en lugar de materiales activos de cátodo recubiertos y a su baja conductividad electrónica. ^{[ 60 ]} Se pueden encontrar composiciones alternativas más económicas de electrolitos sólidos de cloruro con una conductividad iónica menor, pero aún impresionante, con un electrolito sólido de Li ₂ ZrCl ₆ . Este electrolito sólido de cloruro en particular mantiene una alta conductividad iónica a temperatura ambiente (0,81 mS cm ⁻¹ ), deformabilidad y tiene una alta tolerancia a la humedad. ^{[ 61 ]}

Tipo perovskita

Mientras tanto, los materiales de perovskita también tienen un gran potencial para su aplicación en baterías de estado sólido. Para mejorar la baja eficiencia y la alta contaminación de las fuentes de energía tradicionales basadas en combustibles fósiles, cada vez más investigadores han propuesto la idea de las baterías de estado sólido, que tendrán una vida útil más larga y una mayor eficiencia. ^{[ 62 ]} Sin embargo, las baterías de estado sólido todavía presentan muchas preocupaciones de seguridad y desventajas, por lo que los investigadores están utilizando muchos materiales nuevos para resolver este problema. Uno de estos materiales son los materiales de perovskita.

Los materiales de perovskita tienen una excelente conductividad iónica, una excelente capacidad de almacenamiento de carga y una buena actividad electroquímica, por lo que este material tiene un gran potencial para su aplicación en el campo del almacenamiento de energía electroquímica, así como en la conversión de energía. Este material se utiliza en muchas baterías de energía nueva, como baterías de estado sólido y células solares. Su fórmula general es ABX 3 . En ABX 3 , el ion B está rodeado por el octaedro del ion X y el ion A está ubicado en el centro del cubo. ^{[ 63 ]} El fluoruro de perovskita de metal de transición como material de electrodo de tipo perovskita, tiene una ventana de voltaje alta, capacidad específica y estabilidad, además, la estructura del fluoruro de perovskita de metal de transición facilita la migración de iones y sus características cinéticas generales controladas por pseudocapacitancia hacen que tenga una velocidad de transporte de carga rápida, por lo que este material tiene buenas propiedades electroquímicas. ^{[ 64 ]} Por lo tanto, cada vez más investigadores se centran en este material. La investigación de Shan et al. no solo muestra que los iones de litio pueden insertarse en la red de óxidos de perovskita, sino que también demuestra que los óxidos de perovskita, con su alta conductividad iónica, pueden usarse como material de electrodo. ^{[ 65 ]} Para el fluoruro de perovskita de metal de transición, tiene una velocidad de transporte de carga rápida, alta densidad de energía y alta estabilidad porque tiene un enlace metal-flúor y la fuerte electronegatividad del flúor. ^{[ 66 ]} Jiao et al. usó el método solvotérmico para hacer el fluoruro de tipo perovskita con una estructura esférica hueca de micrómetros, después de las pruebas, este material muestra una buena tasa de retención, ya que tiene una capacidad de 142 mAh/g después de 1000 ciclos a 0,1 A/g. ^{[ 67 ]}

Usos

Las baterías de estado sólido son potencialmente útiles en marcapasos , RFID , dispositivos portátiles y vehículos eléctricos . ^{[ 68 ]}^{[ 69 ]}

Vehículos eléctricos

Los vehículos eléctricos híbridos y enchufables han utilizado diversas tecnologías de baterías, incluidas las de plomo-ácido , níquel-metal hidruro (NiMH) , iones de litio (Li-ion) y condensadores de doble capa eléctrica (o ultracondensadores), ^{[ 70 ]} con las baterías de iones de litio dominando el mercado debido a su densidad energética superior . ^{[ 71 ]} Las baterías de estado sólido son deseables debido a su menor peso y mayor densidad energética en comparación con las baterías con electrolitos líquidos, lo que puede aumentar potencialmente la autonomía de un vehículo, reducir el costo y disminuir el peso en vacío, todos los cuales son desafíos importantes para los vehículos eléctricos actuales. ^{[ 72 ]}

Honda declaró en 2022 que planeaba comenzar a operar una línea de demostración para la producción de baterías de estado sólido a principios de 2024, ^{[ 73 ]} y Nissan anunció que, para el año fiscal 2028, tiene como objetivo lanzar un vehículo eléctrico con baterías de estado sólido que se desarrollarán internamente. ^{[ 74 ]}

En junio de 2023, Toyota actualizó su estrategia para vehículos eléctricos de batería , anunciando que no utilizará baterías comerciales de estado sólido hasta al menos 2027. ^{[ 75 ]}^{[ 76 ]}

En enero de 2022, Mercedes-Benz invirtió significativamente en ProLogium para el desarrollo conjunto de celdas de batería de estado sólido de cerámica de próxima generación. La compañía también colabora en tecnología de estado sólido y planea construir ocho gigafábricas con socios. En diciembre de 2023, Mercedes-Benz invirtió en Factorial Energy, con sede en Estados Unidos, impulsando así sus iniciativas en el campo de las baterías de estado sólido. ^{[ 77 ]}

Dispositivos portátiles

Se espera que las características de alta densidad de energía y el mantenimiento de un alto rendimiento incluso en entornos hostiles se traduzcan en la realización de nuevos dispositivos portátiles más pequeños y fiables que nunca. ^{[ 68 ]}^{[ 78 ]}

Equipos en el espacio

En marzo de 2021, el fabricante industrial Hitachi Zosen Corporation anunció una batería de estado sólido que, según afirmaron, tiene una de las capacidades más altas de la industria y un rango de temperatura de funcionamiento más amplio, potencialmente adecuado para entornos hostiles como el espacio. ^{[ 79 ]}^{[ 80 ]} En febrero de 2022 se lanzó una misión de prueba y, en agosto, la Agencia Japonesa de Exploración Aeroespacial (JAXA) anunció ^{[ 81 ]} que las baterías de estado sólido habían funcionado correctamente en el espacio, alimentando el equipo de cámara en el Módulo Experimental Japonés Kibō en la Estación Espacial Internacional (ISS).

Drones

Dado que las baterías de estado sólido son más ligeras y potentes que las baterías de iones de litio tradicionales, es lógico que los drones comerciales se beneficien de ellas. Vayu Aerospace, fabricante y diseñador de drones, observó un aumento en el tiempo de vuelo tras incorporarlas a su dron de largo alcance G1. ^{[ 82 ]} Otra ventaja de los drones es que las baterías de estado sólido se pueden cargar rápidamente. En septiembre de 2023, Panasonic anunció un prototipo de batería de estado sólido que se puede cargar del 10 % al 80 % en 3 minutos. ^{[ 83 ]}

Maquinaria industrial

Las baterías de estado sólido tienen una larga vida útil y una excelente resistencia al calor. Por consiguiente, se prevé su uso en entornos exigentes. La producción de baterías de estado sólido de Maxell para maquinaria industrial ya ha comenzado.

generadores solares portátiles

En 2023, Yoshino se convirtió en el primer productor de generadores solares portátiles de estado sólido, con una densidad de energía 2,5 veces mayor, el doble de potencia nominal y de salida de CA máxima que los generadores de litio no de estado sólido (NMC, LFP). ^{[ 84 ]}^{[ 85 ]}^{[ 86 ]}

Desafíos

Costo de la película delgada

Las baterías de estado sólido de película delgada son costosas de fabricar ^{[ 87 ]} y emplean procesos de fabricación que se consideran difíciles de escalar, lo que requiere costosos equipos de deposición al vacío . ^{[ 21 ]} Como resultado, los costos de las baterías de estado sólido de película delgada se vuelven prohibitivos en aplicaciones de consumo. En 2012, se estimó que, con base en la tecnología vigente en ese momento, una celda de batería de estado sólido de 20 Ah costaría US$ 100 000, y un automóvil eléctrico de gran autonomía requeriría entre 800 y 1000 de estas celdas. ^{[ 21 ]} Asimismo, el costo ha impedido la adopción de baterías de estado sólido de película delgada en otras áreas, como los teléfonos inteligentes . ^{[ 68 ]}

Sensibilidad a la temperatura y a la presión

Las operaciones a bajas temperaturas pueden ser problemáticas. ^{[ 87 ]} Históricamente, las baterías de estado sólido han tenido un rendimiento deficiente. ^{[ 27 ]}

Las baterías de estado sólido con electrolitos cerámicos requieren alta presión para mantener el contacto con los electrodos. ^{[ 88 ]} Las baterías de estado sólido con separadores cerámicos pueden romperse por estrés mecánico. ^{[ 21 ]}

En noviembre de 2022, un grupo de investigación japonés, compuesto por la Universidad de Kioto , la Universidad de Tottori y Sumitomo Chemical , anunció que habían logrado operar de manera estable baterías de estado sólido sin aplicar presión con una capacidad de 230 Wh/kg mediante el uso de nuevos materiales copolimerizados para el electrolito. ^{[ 89 ]}

En junio de 2023, un grupo de investigación japonés de la Escuela de Posgrado de Ingeniería de la _{Universidad Metropolitana}_de Osaka anunció ^que había logrado estabilizar la fase de alta temperatura del Li₃PS₄ ( α- Li₃PS₄ ) _{a temperatura}_ambiente . Esto se consiguió mediante un calentamiento rápido para cristalizar el vidrio _de Li₃PS₄ . _[⁹⁰^]

Resistencia interfacial

La alta resistencia interfacial entre un cátodo y un electrolito sólido ha sido un problema persistente para las baterías de estado sólido. ^{[ 91 ]} Las técnicas de densificación tradicionales utilizadas en la producción de baterías de iones de litio , como el laminado en caliente y el prensado uniaxial, producen un campo de presión no uniforme y, por lo tanto, un cierre no uniforme de la porosidad en el electrolito sólido . En contraste, los equipos modernos diseñados específicamente para baterías de estado sólido , como el prensado isostático en caliente , aplican una presión casi uniforme en todo el electrolito sólido , lo que conduce a una densificación más homogénea y, como consecuencia, a una menor resistividad volumétrica y de los límites de grano . ^{[ 92 ]}

Para comprender mejor los mecanismos de degradación en las interfaces y dentro de los materiales, se suelen emplear técnicas avanzadas de imagen a nanoescala. La microscopía de fuerza atómica (AFM) permite el mapeo topográfico de materiales de baterías de estado sólido a escala nanométrica, revelando características microestructurales como grietas, sitios de iniciación de dendritas o evolución de la interfase. La microscopía de fuerza de sonda Kelvin (KPFM) amplía esta capacidad al mapear las distribuciones de potencial superficial, lo que la hace particularmente útil para visualizar la acumulación local de carga y las inestabilidades interfaciales. Además, la AFM conductiva (C-AFM) se utiliza para mapear la conductividad eléctrica a nanoescala a través de electrodos y electrolitos sólidos, lo que ayuda a identificar zonas de falla y a evaluar la uniformidad de las vías iónicas.

Inestabilidad interfacial

La inestabilidad interfacial entre el electrodo y el electrolito siempre ha sido un problema grave en las baterías de estado sólido. ^{[ 93 ]} Tras el contacto del electrolito de estado sólido con el electrodo, las reacciones secundarias químicas y/o electroquímicas en la interfaz suelen producir una interfaz pasivada, lo que impide la difusión de Li ⁺ a través de la interfaz electrodo-SSE. Durante el ciclado a alto voltaje, algunos SSE pueden sufrir degradación oxidativa.

Dendritas

Los ánodos de litio metálico sólido (Li) en baterías de estado sólido son candidatos para reemplazar las baterías de iones de litio debido a sus mayores densidades de energía , seguridad y tiempos de recarga más rápidos. Estos ánodos tienden a sufrir la formación y el crecimiento de dendritas de Li , crecimientos metálicos no uniformes que penetran en el electrolito y provocan cortocircuitos eléctricos . Este cortocircuito conduce a la descarga de energía, sobrecalentamiento y, en ocasiones, incendios o explosiones debido al descontrol térmico . ^{[ 94 ]} Las dendritas de Li reducen la eficiencia coulómbica . ^{[ 95 ]}

Los mecanismos exactos del crecimiento dendrítico siguen siendo objeto de investigación. Los estudios sobre el crecimiento dendrítico de metales en electrolitos sólidos comenzaron con la investigación de celdas de sodio fundido/sodio-β-alúmina/azufre a alta temperatura. En estos sistemas, las dendritas a veces crecen como resultado de la extensión de microfisuras debido a la presión inducida por el recubrimiento en la interfaz sodio/electrolito sólido. ^{[ 96 ]} Sin embargo, el crecimiento dendrítico también puede ocurrir debido a la degradación química del electrolito sólido. ^{[ 97 ]} La densificación desigual del laminado en caliente del electrodo sólido, debido a la presión aplicada no uniforme, da como resultado puntos de iniciación de fisuras para la formación de dendritas. ^{[ 98 ]}

En los electrolitos sólidos de iones de litio aparentemente estables frente al litio metálico, como se observa y mide mediante experimentos de fotoelasticidad, las dendritas se propagan principalmente debido a la acumulación de presión en la interfaz electrodo/electrolito sólido, lo que provoca la extensión de grietas. Por otro lado, en los electrolitos sólidos químicamente inestables frente a su metal correspondiente, el crecimiento de la interfase y el eventual agrietamiento suelen impedir la formación de dendritas. ^[⁹⁹^]

El crecimiento de dendritas en celdas de iones de litio de estado sólido puede mitigarse operando las celdas a temperatura elevada ^{[ 100 ]} , desviando así las dendritas y retrasando los cortocircuitos inducidos por ellas. También se ha demostrado que las interfases rectificadoras electrónicas que contienen aluminio entre el electrolito de estado sólido y el ánodo de litio metálico son eficaces para prevenir el crecimiento de dendritas. ^{[ 101 ]}

Fallo mecánico

Un mecanismo de falla común en las baterías de estado sólido es la falla mecánica a través de cambios de volumen en el ánodo y el cátodo durante la carga y descarga debido a la adición y eliminación de iones de litio de las estructuras anfitrionas. ^{[ 102 ]}

Cátodo

Los cátodos suelen estar compuestos por partículas catódicas activas mezcladas con partículas SSE para facilitar la conducción iónica . A medida que la batería se carga/descarga, el volumen de las partículas catódicas varía, generalmente en un orden de magnitud de unos pocos por ciento. ^{[ 103 ]} Este cambio de volumen da lugar a la formación de huecos entre partículas, lo que empeora el contacto entre el cátodo y las partículas SSE, provocando una pérdida significativa de capacidad debido a la restricción del transporte iónico. ^{[ 102 ]}^{[ 104 ]}^{[ 105 ]}

Una solución propuesta para este problema es aprovechar la anisotropía del cambio de volumen en las partículas del cátodo. Como muchos materiales de cátodo experimentan cambios de volumen solo a lo largo de ciertas direcciones cristalográficas , si las partículas secundarias del cátodo crecen a lo largo de una dirección cristalográfica que no se expande mucho con la carga/descarga, entonces el cambio en el volumen de las partículas se puede minimizar. ^{[ 106 ]}^{[ 107 ]} Otra solución propuesta es mezclar diferentes materiales de cátodo que tienen tendencias de expansión opuestas en la proporción adecuada de modo que el cambio de volumen neto del cátodo sea cero. ^{[ 103 ]} Por ejemplo, LiCoO ₂ (LCO) y LiNi _0.9 Mn _0.05 Co _0.05 O _{2 (NMC) son dos}materiales de cátodo bien conocidos para baterías de iones de litio. Se ha demostrado que el LCO experimenta una expansión de volumen cuando se descarga, mientras que se ha demostrado que el NMC experimenta una contracción de volumen cuando se descarga. De este modo, un cátodo compuesto de LCO y NMC en la proporción correcta podría experimentar un cambio de volumen mínimo durante la descarga, ya que la contracción del NMC se compensa con la expansión del LCO.

Ánodo

Idealmente, una batería de estado sólido usaría un ánodo de litio metálico puro debido a su alta capacidad energética. Sin embargo, el litio experimenta un gran aumento de volumen durante la carga, de aproximadamente 5 μm por cada 1 mAh/cm² ^de Li depositado. ^{[ 102 ]} Para electrolitos con una microestructura porosa, esta expansión conduce a un aumento de presión que puede provocar la fluencia del litio metálico a través de los poros del electrolito y el cortocircuito de la celda. ^{[ 108 ]} El litio metálico tiene un punto de fusión relativamente bajo de 453 K y una baja energía de activación para la autodifusión de 50 kJ/mol, lo que indica su alta propensión a la fluencia significativa a temperatura ambiente. ^{[ 109 ]}^{[ 110 ]} Se ha demostrado que a temperatura ambiente el litio experimenta una fluencia de ley de potencias, donde la temperatura es lo suficientemente alta en relación con el punto de fusión como para que las dislocaciones en el metal puedan salir de su plano de deslizamiento para evitar obstáculos. La tensión de fluencia bajo fluencia de ley de potencias viene dada por:

$\sigma _{creep}=\left({\frac {\dot {\varepsilon }}{A_{c}}}\right)^{1/m}\exp {\left({\frac {Q_{c}}{mRT}}\right)}$

Dónde $R$ es la constante de los gases , $T$ es la temperatura, ${\dot {\varepsilon }}$ es la tasa de deformación uniaxial , $\sigma _{creep}$ es la tensión de fluencia , y para el metal de litio $m=6.6$ , $Q_{c}=37\,\mathrm {kJ} \cdot \mathrm {mol} ^{-1}$ , $A_{c}^{-1/m}=3\times 10^{5}\,\mathrm {Pa} \cdot \mathrm {s} ^{-1}$ . ^{[ 109 ]}

Para que el litio metálico se utilice como ánodo, se debe tener mucho cuidado de minimizar la presión de la celda a valores relativamente bajos del orden de su tensión de fluencia de 0,8 MPa. ^{[ 111 ]} La presión de celda de operación normal para el ánodo de litio metálico está en cualquier lugar de 1-7 MPa. Algunas estrategias posibles para minimizar la tensión en el litio metálico son usar celdas con resortes de una constante elástica elegida o la presurización controlada de toda la celda. ^{[ 102 ]} Otra estrategia puede ser sacrificar algo de capacidad de energía y usar un ánodo de aleación de litio metálico que normalmente tiene una temperatura de fusión más alta que el litio metálico puro, lo que resulta en una menor propensión a la fluencia. ^{[ 112 ]}^{[ 113 ]}^{[ 114 ]} Si bien estas aleaciones se expanden bastante cuando se litian, a menudo en un grado mayor que el litio metálico, también poseen propiedades mecánicas mejoradas que les permiten operar a presiones alrededor de 50 MPa. ^{[ 115 ]}^{[ 116 ]} Esta mayor presión de celda también tiene el beneficio adicional de posiblemente mitigar la formación de vacíos en el cátodo. ^{[ 102 ]}

Ventajas

Densidad energética mejorada

Las baterías de estado sólido ofrecen el potencial de densidades de energía significativamente mayores en comparación con las baterías de iones de litio tradicionales. Esto se debe principalmente al uso de ánodos de litio metálico, que tienen una capacidad de carga mucho mayor que los ánodos de grafito utilizados en las baterías de iones de litio. A nivel de celda, las densidades de energía de las baterías de iones de litio generalmente son inferiores a 300 Wh/kg, mientras que las de las baterías de estado sólido pueden superar los 350 Wh/kg. ^{[ 117 ]} Este aumento en la densidad de energía es especialmente beneficioso para aplicaciones que requieren baterías más duraderas y compactas, como los vehículos eléctricos. ^{[ 118 ]}

Aumento de la seguridad y la estabilidad térmica.

Una ventaja significativa de las baterías de estado sólido es su perfil de seguridad mejorado. Los electrolitos sólidos reducen considerablemente el riesgo de fuga térmica , una de las principales causas de incendios en las baterías. Dado que la mayoría de los electrolitos sólidos no son inflamables, las baterías de estado sólido presentan un riesgo de incendio mucho menor y no requieren tantos sistemas de seguridad, lo que puede aumentar aún más la densidad energética a nivel del paquete de celdas. ^{[ 4 ]}^{[ 119 ]}^{[ 118 ]} Los estudios han demostrado que la generación de calor durante la fuga térmica es solo entre un 20 % y un 30 % de la que se observa en las baterías convencionales con electrolitos líquidos. ^{[ 120 ]}

Rangos de temperatura y voltaje de funcionamiento ampliados.

Los electrolitos sólidos permiten un rango más amplio de temperaturas y voltajes de funcionamiento, lo cual es crucial para aplicaciones de alto rendimiento. ^{[ 118 ]} Las SSB pueden operar a temperaturas superiores a 60 °C, mientras que las tradicionales generalmente solo pueden operar de -20 a 60 °C. ^{[ 121 ]}^{[ 122 ]}

Las baterías de estado sólido también admiten químicas de cátodo de alto voltaje, como óxido de litio, níquel y manganeso, fosfato de litio y níquel, y fosfato de litio y cobalto. Esto permite que los voltajes superen potencialmente los 5 V (frente a un electrodo de referencia Li/Li ⁺ ), mientras que las químicas de cátodo tradicionales en las baterías de iones de litio no pueden superar los 4,5 V (frente a un electrodo de referencia Li/Li ^{+ ).}^{[ 118 ]}^{[ 123 ]}^{[ 124 ]}

Carga más rápida y mayor eficiencia del espacio.

La combinación de electrolito sólido y ánodo de litio metálico permite una transferencia de iones más rápida, lo que puede reducir los tiempos de carga en comparación con las baterías de iones de litio. Además, se puede incorporar el apilamiento bipolar de celdas, lo que permite reducir el tamaño de las celdas y obtener paquetes de baterías más compactos. ^{[ 125 ]} Esto permite una mayor eficiencia energética general y ofrece flexibilidad de diseño para diversas aplicaciones. ^{[ 126 ]}

Baterías de estado sólido de película delgada

Fondo

Las primeras baterías de estado sólido de película delgada fueron descubiertas por Keiichi Kanehori en 1986, ^{[ 127 ]} basadas en el electrolito de litio. La tecnología era insuficiente para alimentar dispositivos electrónicos más grandes, por lo que no se desarrolló por completo. En 2018, se descubrió que existía "polimorfismo" además de estados cristalinos para baterías de estado sólido de granate de litio de película delgada, ^{[ 128 ]} Moran demostró que Amplie podía fabricar películas cerámicas con el rango de tamaño deseado de 1 a 20 μm en 2021. ^{[ 129 ]}

Estructura

Materiales del ánodo: Se prefiere el litio debido a sus propiedades de almacenamiento; las aleaciones de Al, Si y Sn también son adecuadas como ánodos.

Materiales catódicos: requieren ser ligeros, tener buena capacidad cíclica y alta densidad de energía. Generalmente _incluyen_LiCoO₂ , _LiFePO₄ , _TiS₂ , _V₂O₅ y _LiMnO₂ . ^[¹¹⁹^]

Técnicas de preparación

A continuación se enumeran algunos métodos. ^{[ 130 ]}

Métodos físicos:
1. La pulverización catódica por magnetrón (MS) es uno de los procesos más utilizados para la fabricación de películas delgadas, que se basa en la deposición física de vapor. ^{[ 131 ]}
2. La deposición por haz de iones (IBD) es similar al primer método; sin embargo, en este proceso no se aplica polarización y no se produce plasma entre el objetivo y el sustrato.
3. Deposición láser pulsada (PLD), el láser utilizado en este método tiene pulsos de alta potencia de hasta aproximadamente 10 ⁸ W cm ⁻² .
4. La evaporación al vacío (VE) es un método para preparar películas delgadas de alfa-Si. Durante este proceso, el Si se evapora y se deposita sobre un sustrato metálico. ^{[ 132 ]}
Métodos químicos:
1. La electrodeposición (ED) se utiliza para fabricar películas de Si, siendo una técnica conveniente y económicamente viable. ^{[ 133 ]}
2. La deposición química en fase vapor (CVD) es una técnica de deposición que permite fabricar películas delgadas con alta calidad y pureza. ^{[ 134 ]}
3. La deposición por plasma de descarga luminiscente (GDPD) es un proceso fisicoquímico mixto. En este proceso, se ha aumentado la temperatura de síntesis para disminuir el contenido de hidrógeno adicional en las películas. ^{[ 135 ]}

Desarrollo de sistemas de película delgada

Los electrolitos de película delgada de polímero a base de litio, oxígeno y nitrógeno se han utilizado ampliamente en baterías de estado sólido.
Se han estudiado baterías de estado sólido de película delgada sin litio, como el sistema de electrolito de estado sólido de película delgada de calcogenuro de germanio dopado con Ag. ^{[ 136 ]} También se ha estudiado el sistema de película delgada dopada con bario, cuyo espesor puede ser de al menos 2 μm. ^{[ 137 ]} Además, el Ni también puede ser un componente en la película delgada. ^{[ 138 ]}
También existen otros métodos para fabricar los electrolitos para baterías de estado sólido de película delgada, que son: 1. la técnica de deposición por pulverización electrostática, 2. el proceso DSM-Soulfill y 3. el uso de nanocintas de MoO3 _para mejorar el rendimiento de las baterías de estado sólido de película delgada basadas en litio. ^{[ 139 ]}

Ventajas

En comparación con otras baterías, las baterías de película delgada tienen altas densidades de energía tanto gravimétricas como volumétricas. Estos son indicadores importantes para medir el rendimiento de la batería en cuanto a la energía almacenada. ^[¹⁴⁰^]
Además de su alta densidad energética, las baterías de estado sólido de película delgada tienen una larga vida útil , una flexibilidad excepcional y un peso reducido. Estas propiedades las hacen adecuadas para su uso en diversos campos, como vehículos eléctricos, instalaciones militares y dispositivos médicos. ^{[ 141 ]}

Desafíos

Su rendimiento y eficiencia están limitados por la naturaleza de su geometría. La corriente extraída de una batería de película delgada depende en gran medida de la geometría y los contactos de la interfaz entre el electrolito y el cátodo, y entre el electrolito y el ánodo.
El bajo espesor del electrolito y la resistencia interfacial en la interfaz entre el electrodo y el electrolito afectan el rendimiento y la integración de los sistemas de película delgada.
Durante el proceso de carga y descarga, un cambio considerable en el volumen provoca la pérdida de material. ^[¹⁴⁰^]

Innovación y protección de la propiedad intelectual

El panorama de patentes para baterías de estado sólido ha evolucionado desde 2010, reflejando la carrera global por desarrollar soluciones de almacenamiento de energía más seguras y eficientes. Grandes corporaciones, particularmente en los sectores automotriz y electrónico, han estado registrando activamente patentes para asegurar la propiedad intelectual de sus innovaciones en este campo. Toyota es la empresa líder en términos de derechos de patente otorgados, seguida de LG , Samsung , Murata y Panasonic . ^{[ 142 ]} El fabricante de automóviles japonés Toyota obtuvo 8274 patentes de baterías sólidas entre 2020 y 2023. ^{[ 143 ]}

Según el informe de la OMPI de 2024 sobre tendencias tecnológicas y el futuro del transporte , las actividades de investigación y patentamiento en baterías de estado sólido crecieron significativamente entre 2010 y 2023, y constituyen un nicho importante dentro del campo más amplio de las tecnologías de baterías. ^{[ 144 ]} La compresión isostática ha ganado terreno en el ámbito de las baterías de estado sólido. Los registros de patentes crecieron a una tasa de crecimiento anual compuesta (TCAC) del 22 % entre 2017 y 2024, lo que resultó en 2110 patentes relacionadas con la combinación de baterías de estado sólido y presión isostática hasta noviembre de 2025. ^{[ 145 ]}

Véase también

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