Los packs de baterías de litio convencionales que actualmente se utilizan en nuestras bicicletas y también en los coches eléctricos son ya una tecnología del pasado, cuyo desarrollo está prácticamente desarrollado sin lugar a innovación. Por ello, la investigación se está orientando hacia las celdas en estado sólido. Las celdas semisólidas se consideran una etapa de transición en el camino hacia las baterías totalmente de estado sólido. A diferencia de las celdas de litio, que dependen por completo de electrolitos líquidos, las semisólidas emplean un electrolito semisólido que busca combinar las ventajas de los dos sistemas líquidos y sólidos.
En 2024, el fabricante de automóviles chino NIO anunció el lanzamiento al mercado de un pack de baterías que hacía uso de celdas semisólidas del productor WELION, considerado uno de los pioneros en el mundo de los vehículos eléctricos. Y aquí entra en juego el siempre inquieto Kalle de NICOLAI Bikes: con su empresa Universal Transmissions (UT), ofrece módulos de batería con celdas semisólidas WELION para e-bikes. La producción de estos packs de baterías está prevista, entre otros lugares, en la planta de EMBS en Gliwice, Polonia.
Tecnología actual: celdas cilíndricas 18650 y 21700
Las típicas pilas de celdas cilíndricas de ion-litio dominan actualmente el mercado de las e-bikes. Las celdas 18650 (18×65 mm) fueron durante mucho tiempo el estándar, pero las más recientes 21700 (21×70 mm) ofrecen más volumen y, con ello, más capacidad y densidad energética.
Mayor densidad energética significa: misma autonomía con menos celdas, o más autonomía en el mismo espacio.
Pouch (de bolsillo) en lugar de cilíndricas: las celdas semisólidas de WELION
WELION utiliza el formato pouch para sus celdas semisólidas, unas “celdas en bolsa” planas que pueden recordarnos fácilmente a una tableta de chocolate: múltiples capas finas, apiladas de forma eficiente con un volumen mínimo desperdiciado en la carcasa. El electrolito es híbrido (parcialmente sólido y parcialmente líquido) con el objetivo de lograr mayor densidad energética, capacidad de carga rápida y una seguridad mejorada en comparación con las celdas de electrolito líquido puro (como las de ion-litio).
Universal Transmissions utiliza un formato de celdas semisólidas suministradas por WELION, disponibles en dos versiones específicas para e-bikes: 20,3 Ah con 9 mm (71,3 Wh, SPH380-20) y 25,4 Ah con 11 mm (89 Wh, SPH380-25).
Ventajas e inconvenientes de una batería semisólida frente a una batería de ion-litio convencional
Ventajas de las celdas semisólidas
- Mayor densidad energética
- Al incorporar parcialmente electrolitos sólidos y comprimir los electrodos con mayor densidad, es teóricamente posible alcanzar densidades energéticas entre un 20 y un 50 % superiores a las de las celdas de ion-litio convencionales.
- Esto significa: más autonomía con el mismo tamaño de batería.
- Mayor seguridad
- Al reducirse considerablemente la proporción de electrolito líquido, las celdas son menos inflamables, lo que a su vez disminuye el riesgo de incendio o de fuga térmica.
- Además, son mecánicamente más estables que las celdas de ion-litio, ya que los componentes de tipo sólido pueden ayudar a evitar los cortocircuitos provocados por dendritas.
- Mayor velocidad de carga (potencialmente)
- Una menor resistencia interna y una mejor conductividad iónica en ciertos diseños pueden permitir una carga más rápida.
Retos en el uso de celdas semisólidas
- Todavía no están completamente desarrolladas
- La comercialización de estas celdas para e-bikes aún se encuentra en una fase inicial; la producción en masa, como ocurre con las celdas de ion-litio, todavía no existe.
- Coste y escalabilidad
- En la actualidad, los costes de materiales y fabricación son más elevados que los de las celdas de ion-litio convencionales.
- La producción en masa aún está por llegar → el precio por kWh probablemente sea más alto por ahora. Sin embargo, la tecnología en sí no es intrínsecamente más cara, y se espera que los costes sean muy similares, o incluso iguales, una vez se alcancen los mismos volúmenes de producción.
Comparativa de tamaños de batería de Avinox/Amflow, Bosch, Universal Transmissions-WELION y Specialized
| Avinox (Amflow) 800 Wh |
Bosch PowerTube 800 Wh |
UT-WELION SHP380-20 |
UT-WELION SHP380-25 |
Specialized Turbo Levo 840 Wh |
|
|---|---|---|---|---|---|
| Capacidad Nominal | 22.3 Ah | 22.2 AH | 20.3 Ah | 25.4 Ah | 15.99 Ah |
| Voltaje del sistema | 36 V | 36 V | 35,1 V | 35,1 V | 50,96 V |
| Capacidad de batería | 802.8 Wh | 799.2 Wh | 712.5 Wh | 891.5 Wh | 814.8 Wh |
| Peso kg | 3.796 | 3.932 | 3.109 | 3.624 | 4.396 |
| Dimensiones | 561 x 71 x 49 | 424 x 77 x 71 | 422 x 76 x 64 | 422 x 76 x 72 | 408 x 70 x 85 |
| Densidad de la batería (Wh/kg) [Wh/kg] |
211.48 | 203.25 | 229.17 | 245.99 | 190.85 |
Los valores anteriores provienen de Avinox/Amflow, Universal Transmissions-WELION, o fueron sacados de nuestro articulo, ¿es justa la carrera en las baterías del sector de las eMTB?“.
Una batería convencional de e-bike de 800 Wh se compone de unas 40 celdas cilíndricas de ion-litio. La batería para e-bikes de UT-WELION alcanza una capacidad similar (712 Wh y 891 Wh) con solo 10 celdas tipo pouch. Al utilizar celdas semisólidas en lugar de las celdas de ion-litio que eran el estándar hasta ahora, el peso de la batería puede reducirse de forma significativa.
La tabla muestra claramente que las celdas semisólidas permiten que baterías de tamaño parecido alcancen mayor capacidad y, al mismo tiempo, reducen su peso.
Preguntas para Kalle Nicolai
Lo que muchos no saben es que en 2006 Kalle fundó Universal Transmissions GmbH (UT) para desarrollar y distribuir de forma independiente tecnologías de transmisión y cajas de cambios (incluida la GBOXX) como proveedor OEM, separado de la marca de bicicletas NICOLAI. UT se posiciona como socio en el desarrollo de sistemas para productos LEV (Light Electric Vehicles) preparados para el futuro, y es distribuidor de Gates Carbon Drive y Bosch eBike Systems. En 2024, UT firmó una colaboración con WELION (Beijing WeLion New Energy Technology Co., Ltd.). WELION es un fabricante chino de baterías considerado pionero en celdas semisólidas comerciales, siendo además proveedor de celdas para el pack de 150 kWh de NIO. UT es el distribuidor oficial de las celdas WELION para e-movilidad en la Unión Europea.
¿Qué te llevó a empezar a explorar también las baterías para e-bikes?
Como parte de nuestro trabajo de desarrollo para productos LEV (vehículos eléctricos ligeros), buscábamos baterías más potentes que las de celdas de ion-litio convencionales. Fue entonces cuando entramos en contacto con el fabricante chino de celdas pouch.
¿Qué características técnicas de las celdas semisólidas de WELION te convencieron?
Incluso en las primeras pruebas de laboratorio, con exposición a corrientes muy altas, las celdas semisólidas apenas se calentaban. Ahí fue cuando reconocimos el gran potencial que tienen estas celdas.
¿Dónde ves ventajas claras en el uso diario de una e-bike?
Con el mismo nivel de seguridad, estas celdas semisólidas ofrecen mayor autonomía y velocidades de carga más rápidas además de menos peso.
¿El formato pouch (“tableta de chocolate”) cambia el diseño de vuestros módulos frente a los packs cilíndricos?
No! Junto con WELION desarrollamos un nuevo formato pouch que hace posible packs de batería iguales o similares.
¿Cómo se comparan actualmente los costes de producción de los módulos semisólidos con los packs de ion-litio, y con qué volumen de producción esperáis alcanzar la paridad de costes?
Una vez que un gran fabricante de e-bikes adopte las celdas WELION y aumenten los volúmenes de producción, se espera que los costes alcancen la paridad.
¿Qué oportunidades ves en la colaboración UT-WELION para los fabricantes europeos de e-bikes?
Los fabricantes europeos de e-bikes ahora tienen la oportunidad de seguir el ritmo de desarrollo de empresas asiáticas como DJI.
¿Qué cifras técnicas clave estáis buscando alcanzar?
Actualmente estamos en “best in class”. Esperamos el próximo gran paso de desarrollo en unos 15 a 24 meses.
¿Está a la vista el salto hacia celdas totalmente de estado sólido, o las semisólidas seguirán siendo el próximo estándar de la industria?
Espero que la transición en el segmento de e-bikes sea gradual. Es probable que en el futuro las celdas de estado sólido sigan incluyendo entre un 2 y un 3 % de contenido líquido, dependiendo de los requisitos regulatorios tanto en China como en Europa.
¿Cuándo saldrá al mercado una e-bike de NICOLAI con batería semisólida?
El caballero disfruta y guarda silencio…
¿Cuándo puede la revista E-MOUNTAINBIKE esperar una bici de pruebas con batería semisólida?
No en los próximos 12 meses, pero después sí: ya estamos hablando con varios fabricantes.
Durante la entrevista, Kalle Nicolai contó con el apoyo técnico de su CTO, Sebastian Braun.
Conclusiones
“Semi” rara vez suena a progreso… pero en el caso de las e-bikes podría serlo, de hecho, puede ser el próximo gran paso. La tecnología de las baterías semisólidas promete más autonomía, menos peso, cargas más rápidas y, como mínimo, el mismo nivel de seguridad que las actuales de ion-litio, todo ello a precios similares. Esto abre la puerta al sueño de e-bikes de potencia completa por debajo de los 20 kg. ¿Cómo se comportará esta nueva generación de baterías en condiciones reales de uso? Por supuesto, aquí serás el primero en descubrirlo.
Words: Manne Schmitt Photos: Manne Schmitt
