De l'ió-liti a l'estat sòlid: el futur energètic que impulsarà els cotxes elèctrics

En aquest context, s'està accelerant la transició cap a la denominada mobilitat elèctrica, impulsada per estratègies nacionals i marcs regulatoris que promouen la descarbonització, però també, i, de forma decisiva, pel desenvolupament tecnològic dels sistemes d’emmagatzematge electroquímic, les bateries.

Gràcies a aquesta millora contínua cada vegada és més freqüent veure vehicles elèctrics (VE) a les nostres carreteres. En l'àmbit mundial, les vendes d'aquests vehicles van pel camí de superar els 20 milions d'unitats el 2025, aproximadament una quarta part de tots els automòbils nous venuts al món. A Europa, aquesta tendència és creixent, però s'ha moderat els darrers anys, i es preveu que el 2030 les vendes de vehicles elèctrics superin els 10 milions d'euros.

A Espanya, encara que la quota de mercat del vehicle elèctric encara és menor que a altres països europeus, el creixement és cada cop més sòlid. Segons estimacions recents, el 2024 el parc nacional acumulava al voltant de 340.000 vehicles elèctrics (BEV + PHEV). Tot i això, aquesta xifra no reflecteix per si sola el ritme actual d'adopció: el 2025, les matriculacions de vehicles electrificats podrien assolir prop del 20% del total de vendes, cosa que suposa al voltant de 200.000 unitats anuals, segons dades d'ANFAC i ACEA.

Actualment, aquest mercat està dominat per bateries d’ió-liti, tanmateix, s'està produint un canvi de focus cap a les bateries d'estat sòlid, una nova generació que promet superar algunes de les limitacions de les bateries de liti, especialment en termes de seguretat, densitat energètica i temps de recàrregues sensiblement menors.

Què són les bateries i com funcionen per moure un vehicle elèctric?

Una bateria és un sistema d'emmagatzematge capaç de transformar energia elèctrica en química i viceversa mitjançant reaccions electroquímiques. En el cas dels vehicles elèctrics, compleixen la funció equivalent al dipòsit de combustible d'un vehicle convencional, emmagatzema l'energia necessària per moure el motor i alimentar algun dels sistemes del vehicle com ara la calefacció, encara que és notori esmentar que gran part dels sistemes del vehicle continuen alimentant-se de la bateria de plom típica dels vehicles convencionals de motor de combustió interna.

Encara que des de fora semblen un únic bloc, una bateria es compon per centenars o milers de cel·les, i cadascuna funciona com un diminut magatzem d'energia. Una cel·la està formada per un càtode, un ànode i un electròlit, que permet el moviment dels ions entre tots dos, però també per un separador, un material porós que manté físicament aïllats l'ànode i el càtode per evitar curtcircuits, alhora que permet el pas dels ions a través dels porus. Una manera senzilla d'imaginar-ho és visualitzar dues habitacions connectades per un passadís, però separades per una secció molt fina: els electrons no poden travessar-la, però els ions sí que es poden moure per ella.

En essència, una bateria funciona separant càrregues, és a dir, separant partícules carregades positivament (ions) de partícules carregades negativament (electrons) que tendeixen de manera natural a romandre juntes al càtode.

Durant el procés de càrrega els ions surten del càtode travessant l'electròlit i el separador i s'insereixen a l'ànode. Mentre que els electrons es mouen a través d'un circuit extern del càtode fins a l'ànode per l'energia elèctrica subministrada pel carregador. Durant el procés de descàrrega de la bateria es dona el procés invers i els ions liti passen de l'ànode al càtode mentre que els electrons passen de l'ànode al càtode i la seva energia alimenta el motor.

Per què les bateries d'ió-liti dominen el mercat del vehicle elèctric?

Durant més d'una dècada, les bateries d'ió-liti han estat la tecnologia de referència a la mobilitat elèctrica. El seu èxit es deu a una combinació de factors, ja que poden emmagatzemar una gran quantitat d'energia en un volum i un pes relativament reduïts, es recarreguen amb rapidesa, presenten una vida útil adequada i, sobretot, tenen una cadena de producció madura i àmpliament estesa.

Les bateries d'ió-liti funcionen utilitzant un electròlit líquid, normalment una solució orgànica, que permet als ions de liti desplaçar-se entre l'ànode i el càtode. Aquesta arquitectura ha demostrat la seva eficàcia i fiabilitat, i ha permès que els vehicles elèctrics arribin a autonomies cada vegada més grans i preus més competitius.

Limitacions de les bateries d'ió-liti actuals

Tot i que les bateries d'ió-liti han estat essencials per a l'expansió del vehicle elèctric, presenten desafiaments que en condicionen l'evolució futura:

1. Seguretat i risc tèrmic: L'electròlit líquid que utilitzen és inflamable, de manera que en cas de sobreescalfament, curtcircuit o dany físic, pot produir-se un fenomen anomenat fugida tèrmica que incendia la bateria.
2. Límits de densitat energètica: La quantitat d'energia que una bateria pot emmagatzemar depèn de quant liti és capaç d'intercalar a l'ànode i de la capacitat del càtode. A les bateries actuals, aquests valors estan a prop del seu límit pràctic, cosa que dificulta increments significatius d'autonomia sense augmentar la mida o el pes de la bateria.
3. Degradació amb l'ús: Les bateries d'ió-liti pateixen envelliment amb cada cicle de càrrega i descàrrega. La degradació s'accelera amb temperatures elevades, càrregues ràpides o descàrregues profundes. Amb el temps, la capacitat útil disminueix i l’autonomia del vehicle es redueix.
4. Dependència de materials crítics: Els càtodes solen utilitzar elements com ara el cobalt, el níquel o el manganès, l'extracció dels quals presenta reptes ambientals, socials i geopolítics, igual que el mateix liti. Aquesta dependència genera vulnerabilitat a la cadena de subministrament i pressiona els costos.
5. Complexitat quant a reciclatge i sostenibilitat: Tot i que hi ha processos de reciclatge, la recuperació eficient de materials valuosos encara té marge de millora, i la demanda creixent de bateries obliga a replantejar les estratègies de reutilització i d’economia circular.

Les bateries d'estat sòlid com a evolució de l'electromobilitat

Aquestes limitacions han impulsat la indústria, les universitats i els centres de recerca a desenvolupar alternatives que permetin ampliar autonomia, millorar la seguretat i reduir les velocitats de càrrega. En aquest context, sorgeix una de les tecnologies més prometedores: les bateries d'estat sòlid.

Encara que funcionen sota els mateixos principis electroquímics que les bateries d'ion-liti, introdueixen un canvi fonamental, substitueixen l'electròlit líquid per un electròlit sòlid. Aquest electròlit sòlid pot ser ceràmic, polimèric o una combinació de tots dos tipus.

Aquest canvi, que a primera vista sembla menor, transforma completament el comportament de la bateria, ja que l'electròlit és una peça clau en la seguretat, la densitat energètica i la durabilitat de la cel·la.

Un dels beneficis més rellevants de les bateries d'estat sòlid és el potencial per augmentar la densitat energètica, la qual cosa es tradueix directament en més autonomia del vehicle. L'electròlit sòlid permet utilitzar ànodes de liti metàl·lic en lloc de grafit, la capacitat d'emmagatzematge de liti del qual és molt menor.

Segons estimacions del sector i estudis recollits per organitzacions com l'AIE, aquest avenç podria augmentar la densitat energètica entre un 20% i un 50% en comparació amb les bateries comercials d'ió-liti, i alguns prototips fins i tot apunten a valors més alts a mitjà termini. En termes pràctics, això podria permetre autonomies significativament superiors sense necessitat d'augmentar la mida o el pes de la bateria, cosa especialment rellevant per a turismes i mobilitat de mercaderies.

L'electròlit sòlid no és inflamable, cosa que redueix de forma dràstica el risc de fuga tèrmica. A més, la bateria pot suportar temperatures més elevades o situacions d'estrès, cosa que millora tant la seguretat com la seva vida útil.

A les bateries d'ió-liti utilitzades en vehicles elèctrics, les químiques més habituals, com ara NMC o NCA, solen oferir entre 1.500 i 2.000 cicles complets abans de baixar per sota del 80% de la seva capacitat original. Les químiques LFP, cada vegada més presents al mercat per la seva robustesa, poden assolir entre 3.000 i 4.000 cicles sota condicions adequades d’operació. La literatura científica suggereix que les bateries d'estat sòlid podrien superar aquests valors perquè, com que no fan servir un electròlit líquid, s'eviten molts dels processos interns que degraden la bateria amb l'ús.

A més, presenten majors velocitats de càrrega a causa de la major estabilitat tèrmica i química de l'electròlit sòlid que permet càrregues ràpides en admetre corrents més elevats sent capaç d'evitar certs fenòmens que degraden les bateries d’ió-liti convencionals. S'esperen velocitats de càrrega del 10% al 80% en 10-12 minuts, cosa que acosta els temps de càrrega al dels proveïments d'un vehicle convencional. 

També l'ús d'un electròlit sòlid i d'ànodes de liti metàl·lic obre noves possibilitats quant a materials, podent reduir la dependència de cobalt o níquel, encara que segueixen sense fer front a la reducció de dependència respecte del liti.

Què poden esperar els consumidors i la indústria en els anys vinents

Tot i el seu potencial enorme, les bateries d'estat sòlid encara es troben en una fase de desenvolupament avançada, però no plenament industrialitzada. Fabricar-les a gran escala continua sent un desafiament, especialment per la dificultat d'aconseguir un contacte estable entre l'electròlit sòlid i els elèctrodes, garantir una conducció iònica suficient i desenvolupar processos de producció que siguin viables econòmicament.

Per aquest motiu, tot i que nombrosos fabricants incloent Toyota, BMW o Nissan han anunciat prototips o línies pilot, la majoria situa l'arribada de les primeres aplicacions comercials entre el 2027 i el 2030.

Si bé hi ha visions optimistes, les bateries d'estat sòlid tardaran diversos anys a assolir una presència significativa al parc automotor. Algunes estimacions especialitzades preveuen que, encara que aquestes tecnologies comencin a arribar al mercat abans del 2030, no seran dominants fins ben entrada la propera dècada o fins i tot la següent, depenent de la velocitat a què se superin els desafiaments de producció i cost.

Pels consumidors, això significa que durant els propers anys és probable veure dues tendències:

• Vehicles prèmium i d'alt rendiment incorporaran primer aquestes bateries degut al seu major cost inicial i a la necessitat de justificació tecnològica i de màrqueting.
• A mesura que es maduri la producció i es redueixin els costos, les bateries d'estat sòlid es podrien estendre progressivament a segments més massius del mercat.

En paral·lel, la indústria de bateries i components s'està reorganitzant per poder produir els nous materials i els processos requerits. Per exemple, projectes industrials com la construcció de plantes de material actiu per a electròlits sòlids al Japó apunten a desenvolupar capacitat de producció significativa a mitjan dècada, la qual cosa indica compromís industrial amb aquest salt tecnològic.

Bateries d'estat sòlid, innovació continua

Les bateries d'estat sòlid representen un dels avenços tecnològics més prometedors per a la propera generació de vehicles elèctrics. El seu disseny, que reemplaça l'electròlit líquid per un de sòlid, ofereix avantatges clars: major densitat energètica, seguretat millorada, cicles de vida més llargs, càrregues més curtes i opcions de materials més sostenibles. Aquestes millores tenen el potencial de reduir les barreres actuals que limiten l’adopció massiva de vehicles elèctrics, com l’“ansietat per l’autonomia” o els llargs temps de recàrrega ràpida.

Tot i això, encara queda un llarg camí entre els prototips i la producció a gran escala. La fabricació d'electròlits sòlids i la seva integració amb materials com ara el liti metàl·lic requereix noves tecnologies i processos de fabricació i cadenes de subministrament adaptades, cosa que condiciona la velocitat de la seva adopció comercial.

Per als consumidors, la dècada vinent serà testimoni de les primeres aplicacions reals d'aquesta tecnologia, primer en models de gamma alta i més endavant en vehicles més assequibles. Per a la indústria suposa un repte d'innovació contínua, col·laboració global i adaptació de les cadenes de valor. Si es compleixen els terminis anunciats pels principals actors, les bateries d'estat sòlid podrien transformar la mobilitat elèctrica tal com la coneixem, consolidant el seu paper com a pilar de la transició energètica cap a un transport més eficient, segur i sostenible.