La tecnología de las baterías^(Battery) ha recorrido un largo camino a lo largo de los años. Los dispositivos como drones y teléfonos inteligentes no serían prácticos sin la tecnología avanzada de baterías modernas. 

Sin embargo, ¡las baterías siempre podrían ser mejores! 

Las baterías de estado sólido parecen ser el próximo gran avance y los productos que las usan están a la vuelta de la esquina. Esto significa que ahora es el momento perfecto para familiarizarse con lo que son y por qué son importantes.

¿Qué significa "estado sólido"?

Ya sea una batería de automóvil de plomo ácido, desechables alcalinas o baterías de polímero de litio^{(lithium polymer batteries)} en un teléfono, todas usan un electrolito líquido. El electrolito es una sustancia conductora que conecta los dos terminales internos de la batería. Los electrones fluyen a través del electrolito, lo que permite que la batería acumule una carga eléctrica o la descargue.

Una batería de estado sólido utiliza un electrolito sólido, en lugar del electrolito líquido tradicional. Esa es la única diferencia fundamental entre las dos tecnologías de batería. Suena bastante simple, pero los ingenieros y científicos han estado luchando durante décadas para encontrar un material sólido que pueda actuar como un electrolito.

¿ Qué tienen de difícil^(Hard) las baterías de estado sólido ?^{(Solid State)}

Varios materiales, como la cerámica y los metales de litio, ofrecen potencial como electrolitos en estado sólido. El problema es que el enfoque cerámico ha resultado en un bajo rendimiento de la batería. Los metales de litio son prometedores, pero tienen un defecto fatal. A medida que la batería se carga y descarga, crecen “dendritas” metálicas a través del electrolito. La batería puede sufrir un cortocircuito y convertirse en un peligro.

Encontrar soluciones prácticas y económicamente viables a estos problemas ha sido la misión de varias empresas y equipos de investigación en los últimos años. Ahora ese trabajo está a punto de dar sus frutos. 

¿Por qué pasar por todo este problema? Veamos los beneficios que prometen las baterías de estado sólido frente a las tradicionales.

La seguridad

Las baterías almacenan grandes cantidades de energía y siempre existe el peligro de que esta energía se libere de forma descontrolada. Cuando eso sucede, puede significar incendios, explosiones y otros resultados no deseados. Las baterías de estado sólido, suponiendo que se resuelva el problema de las dendritas, prometen ser más seguras y estables. Por un lado, no son inflamables, por lo que los incendios de baterías deberían ser cosa del pasado.

Esto no solo es importante para vehículos eléctricos como automóviles y drones, sino también para dispositivos electrónicos personales como teléfonos inteligentes y computadoras portátiles. Muchas personas resultan lesionadas cada año por incendios de baterías en sus dispositivos electrónicos. ¡Como resultado, casas enteras han sido quemadas hasta los cimientos!

Velocidad de recarga

Las baterías de litio modernas pueden cargarse a velocidades impresionantes^{(charge at impressive speeds)} , pero aun así tardan mucho en llenarse. Hay un límite en la cantidad de energía que puede verter en una batería de iones de litio tradicional antes de que todo se derrumbe. Las baterías de estado sólido prometen cargarse hasta seis veces más rápido que las baterías que usamos actualmente. Eso significa cargar tu teléfono de vacío a lleno en cinco minutos o charging an electric car to 80% in 15 .

Capacidad y tamaño de energía

Las^(Lithium) baterías de iones de litio actualmente tienen la mayor densidad de energía de cualquier tipo de batería vendido al público. Sin embargo, sigue siendo muchas veces menos denso que la gasolina. Si bien las baterías de estado sólido no están a la altura de las baterías de gas, prometen más del doble de la densidad de energía por volumen. 

En otras palabras, si cambiaste la batería de tu teléfono usando un modelo de estado sólido, teóricamente podría funcionar el doble de tiempo sin aumentar de tamaño. Este es otro gran punto de venta para los vehículos eléctricos, que no son tan populares como podrían ser, gracias a la ansiedad por el alcance.

Vida útil y durabilidad

La mayoría de las baterías de iones de litio actuales comienzan a degradarse después de unos 500 ciclos completos de carga y descarga. Después de ese punto, la batería comienza a perder su capacidad^{(battery begins to lose its capacity)} hasta que apenas puede mantener una carga. En los teléfonos inteligentes, que ahora tienden a tener baterías selladas, esto pone un límite estricto a la vida útil del dispositivo. Las baterías de estado sólido prometen aumentar mucho ese límite. Tanto como cinco veces. 

Por lo tanto, donde la batería de un teléfono de uso diario típico podría comenzar a degradarse después de dos o tres años, una batería de estado sólido permanecería en su capacidad nominal hasta por quince años^{(fifteen years)} . En los autos eléctricos, donde el reemplazo de las baterías es extremadamente costoso, eso podría tener un efecto dramático en el costo de propiedad de esta clase de vehículos. 

Debilidades de la batería de estado sólido

Si todo esto suena demasiado bueno para ser verdad, hay algunas advertencias sobre la tecnología. Algunos de estos aún deben resolverse antes de que se logre la adopción generalizada de la tecnología de baterías de estado sólido.

• El costo^{(Cost )} es quizás el mayor enemigo. Los^(Research) equipos de investigación y las empresas emergentes están trabajando arduamente para hacer que el proceso de producción de estas baterías sea más económico y escalable. Algunas empresas afirman estar cerca, pero no sabremos qué tan exitosas han sido hasta que veamos los precios reales de los productos con estas baterías.

• Estas baterías también luchan a bajas temperaturas^{(struggle at low temperatures)} . Por lo tanto, las soluciones que implican aislarlos o mantenerlos a una buena temperatura de operación son parte del desafío.

¿Cuándo se pueden comprar baterías de estado sólido ?^{(Solid State)}

Hay algunas empresas como Solid Power y QuantumScape , que afirman estar en la cúspide de las aplicaciones comerciales de baterías de estado sólido. 

Toyota planea tener a la venta vehículos eléctricos con batería de estado sólido a partir de 2021 . Tanto Solid Power como QuantumScape tienen como objetivo el lanzamiento de baterías para vehículos en 2022 y 2024, respectivamente. Esto significa que en los próximos dos años podríamos estar justo al comienzo de una revolución de las baterías. 

Eso es incluso antes de entrar en las posibilidades que surgen del uso de grafeno. Este maravilloso material promete baterías aún mejores, ya sea que tengan electrolitos líquidos o sólidos. Lograr que el grafeno juegue a la pelota ha eludido a los científicos e ingenieros durante más tiempo de lo esperado, pero ya puede comprar un banco de energía de grafeno híbrido^{(hybrid graphene powerbank)} en este momento. En verdad^(Truly) , el futuro está aquí.

What Are Solid State Batteries and Why Are They Important?

Battery technology has come a long way over the years. Gadgets like drones and smartphones would be impractical without advanced modern battery technology. 

However, batteries could always be better! 

Solid state batteries seem to be the next big advancement and products that use them are around the corner. This means now is the perfect time to familiarize yourself with what they are and why they’re important.

What Does “Solid State” Mean?

Whether it’s a lead acid car battery, alkaline disposables, or lithium polymer batteries in a phone, they all use a liquid electrolyte. The electrolyte is a conductive substance that connects the two internal terminals of the battery. Electrons flow through the electrolyte, allowing the battery to either build up an electrical charge or to discharge it.

A solid state battery uses a solid electrolyte, instead of the traditional liquid electrolyte. That’s the only fundamental difference between the two battery technologies. It sounds simple enough, but engineers and scientists have been struggling for decades to come up with a solid material that can act as an electrolyte.

What’s Hard About Solid State Batteries?

Various materials, such as ceramics and lithium metals, offer potential as solid state electrolytes. The problem is that the ceramic approach has resulted in poor battery performance. Lithium metals are promising, but have a fatal flaw. As the battery is charged and discharged, metal “dendrites” grow through the electrolyte. The battery can short-circuit and turn into a hazard.

Finding practical and economically viable solutions to these issues has been the mission of several companies and research teams over the past few years. Now that work is about to pay off. 

Why go through all this trouble? Let’s look at the benefits that solid state batteries promise over traditional ones.

Safety

Batteries store large amounts of energy and there’s always a danger that this energy can be released in an uncontrolled way. When that happens, it can mean fire, explosions and other unwanted outcomes. Solid state batteries, assuming the dendrite issue is resolved, promise to be safer and more stable. For one thing, they aren’t flammable, so battery fires should be a thing of the past.

This is not only important for electric vehicles such as cars and drones, but also for personal electronics such as smartphones and laptops. Many people are injured every year by battery fires in their electronic gadgets. Entire houses have been burned to the ground as a result!

Recharge Speed

Modern lithium batteries can charge at impressive speeds, but they still take a long time to fill up. There’s a limit to how much energy you can pour into a traditional lithium ion battery before it all goes sideways. Solid state batteries promise to charge as much as six times faster than the batteries we currently use. That means charging up your phone from empty to full in five minutes or charging an electric car to 80% in 15.

Energy Capacity and Size

Lithium ion batteries currently have the highest energy density of any battery type sold to the public. Yet it’s still many times less dense than gasoline. While solid state batteries don’t bring batteries up to par with gas, it does promise to more than double the energy density per volume. 

In other words, if you changed the battery in your phone using a solid state model, it could theoretically run twice as long without increasing in size. This is yet another big selling point for electric vehicles, which aren’t as popular as they could be, thanks to range anxiety.

Lifespan and Durability

Most current lithium ion batteries start to degrade after about 500 full charge-discharge cycles. After that point the battery begins to lose its capacity until it can barely hold a charge at all. In smartphones, which now tend to have sealed batteries, this puts a hard limit on device lifespan. Solid state batteries promise to greatly increase that limit. As much as five times. 

So, where a typical daily-use phone battery might start to degrade after two to three years, a solid state battery would remain at its rated capacity for up to fifteen years. In electric cars, where the replacement of batteries is extremely costly, that could have a dramatic effect on the cost of ownership for this class of vehicles. 

Solid State Battery Weaknesses

If this all sounds too good to be true, there are a few caveats to the technology. Some of these still need to be solved before widespread adoption of solid state battery technology is achieved.

• Cost is perhaps the greatest foe. Research teams and startup companies are working hard on making the production process for these batteries cheaper and scalable. Some companies claim to be close, but we won’t know how successful they’ve been until we see the actual prices on products with these batteries.

• These batteries also struggle at low temperatures. Therefore, solutions that involve insulating them or keeping them at a good operational temperature are part of the challenge.

When Can You Buy Solid State Batteries?

There are a few companies like Solid Power and QuantumScape, which claim to be at the cusp of commercial solid state battery applications. 

Toyota plans to have solid state battery electric vehicles for sale as early as 2021. Both Solid Power and QuantumScape are aiming for a rollout of batteries for vehicles in 2022 and 2024 respectively.  This means that in the next couple of years we could be right at the start of a battery revolution. 

That’s before we even get into the possibilities that come from using graphene. This wonder material promises even better batteries, whether they have liquid or solid electrolytes in them. Getting graphene to play ball has eluded scientists and engineers for longer than expected, but you can already buy a hybrid graphene powerbank right now. Truly, the future is here.

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