Tecnología de materiales básicos para la industria de vehículos de nueva energía

Baterías, semiconductores y materiales de telemetría láser

1 Introducción

A medida que aumenta la concienciación sobre la gravedad de los problemas medioambientales, los vehículos de nuevas energías van sustituyendo cada vez más a los vehículos tradicionales impulsados por combustible, y el tamaño del mercado muestra una tendencia de crecimiento sostenido. La optimización del rendimiento y los avances tecnológicos de los materiales de las baterías -los componentes principales de los vehículos de nueva energía-, los materiales semiconductores para los componentes de control inteligente y los materiales de telemetría láser para los componentes de detección medioambiental se han convertido gradualmente en las principales áreas de competencia de la industria.

El rendimiento de las baterías, como fuente de energía básica, es uno de los factores más importantes que tienen en cuenta los consumidores a la hora de elegir productos para vehículos de nueva energía. El equilibrio entre la capacidad de la batería y el volumen/peso determina directamente la autonomía del vehículo; mientras tanto, el riesgo de fuga térmica es el peligro de seguridad más crítico para las baterías de energía, y el rendimiento de disipación de calor de los materiales de la batería afecta significativamente al factor de seguridad del vehículo. Los semiconductores para automoción se enfrentan a retos complejos relacionados con la eficiencia, la potencia de cálculo y los problemas de la cadena de suministro. Los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) tradicionales, basados en el silicio, sufren elevadas pérdidas por conmutación que merman la eficiencia energética de los sistemas de propulsión eléctrica. Además, la potencia de cálculo necesaria para la conducción autónoma (>100 TOPS) se ve limitada por los bajos índices de rendimiento de los chips de procesos avanzados para automoción (índices de rendimiento inferiores al 50% en los procesos de menos de 7 nm). La capacidad mundial de producción de microcontroladores (MCU) de automoción está muy concentrada en unos pocos fabricantes, lo que debilita la capacidad de recuperación de la cadena de suministro.

Las soluciones se centran en materiales semiconductores de banda ancha: los módulos de potencia de carburo de silicio (SiC ) pueden reducir las pérdidas de los motores eléctricos en un 50% y aumentar la autonomía en un 5%; el sector está avanzando en la producción en masa de sustratos de SiC de 6 pulgadas para mejorar la estabilidad del suministro. El principal reto del lidar consiste en equilibrar precisión y coste. Las soluciones mecánicas ofrecen una gran precisión (±2 cm) pero cuestan más de 5.000 dólares por unidad; las soluciones de estado sólido (como Flash/optical phased array) experimentan una reducción del 40% en la capacidad de alcance en condiciones de luz intensa. Los avances tecnológicos dependen de la integración directa de chips de tiempo de vuelo (dToF): el uso de láseres de emisión superficial de cavidad vertical (VCSEL) y matrices de diodos de avalancha de fotón único (SPAD) para lograr una precisión de alcance milimétrica (por ejemplo, el chip VL53L8). La aplicación de componentes ópticos a nivel de oblea ha abaratado los costes hasta los 500 dólares, lo que hace factible el despliegue de LiDAR a gran escala. La fusión de datos multisensor es la vía clave para lograr una conducción autónoma de alta fiabilidad.

Fig. 1 Baterías para vehículos de nueva energía

2 Baterías de energía: La revolución evolutiva de los portadores de energía

2.1 Iteración del sistema de materiales: Del líquido al sólido

Comparación de las tecnologías de baterías líquidas de iones de litio:

Fosfato de litio y hierro (LFP): Ofrece grandes ventajas de seguridad y bajo coste (temperatura de descomposición del material >500°C), pero se enfrenta a limitaciones de densidad energética (valor típico: 160-180 Wh/kg). El rendimiento a bajas temperaturas es limitado (tasa de retención de la capacidad a -20°C <70%), pero presenta una excelente vida útil (>4.000 ciclos con una tasa de retención de la capacidad del 80%).

Materiales ternarios (NCM/NCA): Densidad energética significativamente mejorada (220-300 Wh/kg), pero escasa estabilidad térmica (temperatura de inicio del desbordamiento térmico del NCM811 <180°C). La dependencia de los recursos de níquel y cobalto provoca una importante volatilidad de los costes (las fluctuaciones del precio del cobalto pueden alcanzar el ±30% anual), y los materiales con alto contenido en níquel aceleran la descomposición del electrolito.

Fig. 2 Duración de las baterías NCM

Los avances tecnológicos en las baterías de estado sólido se centran en la seguridad intrínseca y la mejora de la densidad energética, pero deben superar los retos de la conducción de interfaces y la escalabilidad. Las principales ventajas residen en dos áreas: la naturaleza no inflamable de los electrolitos de estado sólido elimina el riesgo de fuga térmica de los electrolitos orgánicos, con lo que se consigue la seguridad intrínseca de las baterías; la aplicación de ánodos de metal de litio supera los límites teóricos de capacidad de los ánodos de grafito, lo que permite un potencial de densidad energética superior a 500 Wh/kg. Sin embargo, existen retos técnicos clave que dificultan la industrialización: la impedancia de la conductividad iónica de la interfaz sólido-sólido da lugar a una conductividad a temperatura ambiente generalmente inferior a 10^-3 S/cm; la extrema sensibilidad de los electrolitos de sulfuro a la humedad y el oxígeno (descomposición instantánea cuando se exponen al aire) impide gravemente la producción a gran escala; los costes actuales de los materiales son más de tres veces superiores a los de los sistemas de baterías líquidas, lo que requiere urgentemente la colaboración de la cadena de suministro para abordar los problemas de modificación de la interfaz, control de la atmósfera y reducción de los costes del proceso.

Fig. 3 Diagrama esquemático de la estructura en capas de una batería de estado sólido

2.2 Innovación estructural y mejoras en la fabricación

La tecnología de envasado integrado (CTP/CTC) mejora significativamente la utilización del volumen de los paquetes de baterías entre un 15% y un 20% al eliminar las capas de la estructura de los módulos. Los casos típicos muestran que la tecnología CTP de tercera generación puede lograr un avance en la densidad energética del sistema de 255 Wh/kg. En el campo de los procesos de fabricación avanzados, la tecnología de electrodos secos elimina el paso de secado con disolvente, reduciendo el consumo de energía de producción hasta en un 30%. La tecnología de prelitiación aplicada simultáneamente compensa eficazmente la pérdida de litio durante el primer ciclo, mejorando la eficiencia inicial entre un 5% y un 10% y prolongando la vida útil del ciclo. Las optimizaciones del proceso relacionadas se han validado mediante la industrialización.

2.3 Economía circular: Sistema de tecnología regenerativa

Las baterías eléctricas retiradas (con una capacidad restante del 70%-80%) se someten a un proceso de cribado electroquímico y reacondicionamiento, lo que permite su uso secundario en sistemas de almacenamiento de energía en red (con una precisión de ahorro de picos superior al 95%) o como fuentes de energía para vehículos eléctricos de baja velocidad, consiguiendo una reducción del 40% en los costes de utilización secundaria. En el proceso de reciclado de materiales, la tecnología hidrometalúrgica emplea un sistema de lixiviación ácida de ácido sulfúrico y peróxido de hidrógeno (H₂SO₄-H₂O₂) combinado con la extracción por disolvente de fosfato de di(2-etilhexilo) (D2EHPA), logrando tasas de recuperación de metales superiores al 90% para el litio, el cobalto y el níquel, con una pureza del producto que cumple las normas de calidad de las baterías (pureza del carbonato de litio >99,5%). El Reglamento de la UE sobre pilas y residuos de pilas (2023) exige una tasa de recuperación de litio de al menos el 80% para 2031, lo que impulsa la estandarización de las tecnologías de reciclaje a nivel mundial.

Fig. 4 Diagrama de flujo del proceso metalúrgico húmedo para el reciclado de baterías

3 Semiconductores de automoción: El núcleo portador del control inteligente

3.1 Evolución de la eficiencia energética de los dispositivos de potencia

Los MOSFET de carburo de silicio (SiC) están sustituyendo gradualmente a los IGBT de silicio. Sus características de banda prohibida ancha permiten el funcionamiento a altas temperaturas, por encima de 200°C, reducen las pérdidas por conmutación a alta frecuencia en un 50% y mejoran notablemente la eficiencia de los sistemas de accionamiento eléctrico (aumentando la autonomía entre un 3 y un 5%). Esta tecnología se ha aplicado a los inversores de propulsión principal y a los cargadores de a bordo (OBC). Aunque la tecnología de embalaje de módulos ha hecho grandes avances, las obleas epitaxiales de sustrato de SiC siguen dependiendo en gran medida de la cadena de suministro internacional, lo que plantea riesgos de capacidad.

3.2 Avances en la tecnología de chips sensores

El núcleo LiDAR utiliza la tecnología de tiempo de vuelo directo (dToF) e incluye dos soluciones: el alcance por pulsos y las matrices de diodos de avalancha monofotónicos (SPAD). El kit receptor integrado (APD+TIA+chip dToF) puede alcanzar una precisión de ±10 mm y una recuperación de sobrecarga de 10 ns. Los sensores multizona (como una matriz de 64 píxeles) admiten un alcance de 285 cm con una gran resistencia a las interferencias de la luz, lo que permite el reconocimiento de gestos en el vehículo y los sistemas de vigilancia de ocupantes.

Fig. 5 SPAD y matrices SPAD: De la detección de un solo fotón a las plataformas de imagen a nivel de sistema

3.3 Arquitectura de chips de control computacional

Las cabinas inteligentes y los controladores de dominio de conducción autónoma están dominados por chips de alto rendimiento (como las soluciones de Qualcomm/NVIDIA). Los microcontroladores (MCU) para automoción deben superar la certificación de seguridad funcional ISO 26262 ASIL-D, con umbrales de desarrollo centrados en controlar las tasas de fallos (<10 FIT) y garantizar retrasos de respuesta en tiempo real (< 50 μs).

4 Tecnología Laser Ranging: Implementación de precisión de la percepción del entorno

4.1 Comparación de enfoques técnicos

dToF (tiempo de vuelo directo): Calcula la distancia (d=c-Δt/2) midiendo el retardo de ida y vuelta (Δt) de los pulsos láser, con precisión milimétrica, alcance kilométrico y gran capacidad antiinterferente.

iToF (tiempo de vuelo indirecto): Se basa en la diferencia de fase entre las formas de onda transmitida y recibida, tiene un coste relativamente bajo, pero es susceptible a las interferencias de la luz ambiental (error > 40% con luz intensa).

Fig. 6 Diagrama esquemático del alcance por impulsos láser

4.2 Arquitectura del Dispositivo Central dToF

El extremo transmisor del sistema de tiempo de vuelo directo (dToF) utiliza un láser de emisión superficial de cavidad vertical (VCSEL) de 940 nm, que cumple con la norma de seguridad ocular IEC 60825-1 manteniendo el consumo de energía por debajo de 2 W. El receptor consta de un fotodiodo de avalancha (APD), un amplificador de transimpedancia (TIA) y un convertidor tiempo-digital (TDC) que trabajan en tándem: el APD alcanza una tasa de respuesta fotoconductora de >50 A/W a la longitud de onda de 905 nm, el TIA proporciona un ancho de banda de 290 MHz y garantiza un tiempo de recuperación de la señal de <10 ns, y el TDC logra una resolución temporal de 20 ps para un alcance preciso. El sistema óptico emplea elementos ópticos difractivos (DOE) para el control de haces multirregión, con aplicaciones típicas como una arquitectura de barrido de 64 zonas, que proporciona la base para la detección con resolución espacial.

Fig. 7 Sistema VCSEL

4.3 Límites de rendimiento del escenario de aplicación

En escenarios de alta precisión de corto alcance (como los sistemas de aparcamiento automático), la tecnología dToF puede lograr una precisión de posicionamiento de ±1 cm dentro de un rango de <10 metros, pero requiere la supresión algorítmica de la interferencia multitrayecto causada por las reflexiones del suelo. Para la detección dinámica de largo alcance (como los ADAS de alta velocidad), un alcance fiable más allá de los 200 metros depende de la combinación de emisores láser de impulsos de alta potencia y matrices de diodos de avalancha monofotónicos (SPAD) de varios megapíxeles para superar la atenuación atmosférica y la degradación de la relación señal/ruido causada por los objetivos en movimiento.

5 Marco de sinergias industriales: La integración multimaterial impulsa la innovación de los sistemas

La evolución tecnológica de los nuevos vehículos energéticos depende de la profunda integración de los sistemas de almacenamiento de energía en baterías, las unidades de control de semiconductores y los dispositivos de detección láser en múltiples campos físicos. A nivel de flujo de energía, los módulos de alimentación de carburo de silicio (SiC) reducen las pérdidas por conmutación en un 50%, lo que permite a las plataformas de alta tensión de 800 V soportar la carga rápida de baterías de estado sólido a 4C, reduciendo al mismo tiempo la carga de los sistemas de gestión térmica; la coordinación del flujo de información implica el procesamiento en tiempo real de los datos de la nube de puntos lidar (dToF) por un controlador de dominio (con más de 100 TOPS de potencia de cálculo), ajustando dinámicamente la potencia de salida de la batería (con un retardo de respuesta inferior a 100 ms) para lograr una asignación óptima de la eficiencia del par; La coordinación del flujo de seguridad se consigue fusionando los datos de los multisensores del pack de baterías (temperatura/tensión/deformación) con los datos de detección de obstáculos por láser, lo que hace que los dispositivos SiC se apaguen en menos de 2 microsegundos para evitar la propagación de fugas térmicas.

5.1 Caso práctico de colaboración a nivel de componente central

La cadena de protección de seguridad de la carga ultrarrápida muestra una interacción típica: una estación de carga ultrarrápida de 480 kW envía 800 V de alta tensión al cargador de a bordo (OBC) de SiC, lo que hace que la batería de estado sólido se cargue a una velocidad de 4C. Cuando el gradiente de temperatura de la batería supera los 5 °C, el chip de gestión térmica genera una señal PWM para activar la bomba de refrigeración, mientras un láser emisor de superficie de cavidad vertical (VCSEL) supervisa simultáneamente la temperatura con una precisión de ±0,1 °C, formando un sistema de protección de tres niveles de "supervisión láser-limitación dinámica de corriente BMS-apagado SiC". El escenario de control de crucero adaptativo pone de relieve la optimización de la eficiencia energética: El lidar detecta la distancia al vehículo que circula por delante con una precisión de ±10 cm hasta 200 metros, el controlador de dominio (128 TOPS de potencia de cálculo) calcula el par necesario, el chip de potencia ajusta la frecuencia de conmutación (de 16 kHz a 50 kHz) y el sistema de baterías suministra entre 30 y 150 kW de potencia según sea necesario (con una fluctuación del SOC <1% por kilómetro). Esta cadena de colaboración ha sido validada para aumentar la autonomía en un 12% en condiciones WLTC.

5.2 Retos y avances en la interacción de interfaces de materiales

Las interferencias electromagnéticas (EMI) entre baterías y semiconductores afectan a la precisión de los sistemas de gestión de baterías. El uso de películas de blindaje nanocristalinas puede lograr una atenuación de más de 30 dB. El problema del ruido térmico de los chips láser ToF se resuelve enfriando el sustrato de germanio-silicio (SiGe) 50 °C para mejorar la relación señal-ruido. Los desplazamientos ópticos provocados por las vibraciones de la batería se resuelven mediante algoritmos de alineación activa (con una precisión de compensación de ±0,05°). El modelo del Boston Consulting Group indica que estas tecnologías sinérgicas podrían reducir el coste de todo el vehículo en un 18% para 2030, con un valor derivado de un aumento del 40% en el valor de reutilización de la batería, una mejora del 15% en la eficiencia energética del semiconductor para ampliar la autonomía y una reducción de los costes del lidar a 500 dólares por unidad mediante ganancias sistémicas.

6 Conclusión

El desarrollo de vehículos de nueva energía ha pasado de las innovaciones tecnológicas individuales a una fase de sinergia sistemática entre baterías, semiconductores y materiales láser. Estos tres elementos forman un ecosistema tecnológico de bucle cerrado mediante una profunda interacción en los flujos de energía, información y seguridad.

En la dimensión energética, los módulos de alimentación de carburo de silicio reducen las pérdidas por conmutación en un 50%, lo que permite a la plataforma de 800 V lograr una carga rápida de 4C y reducir al mismo tiempo las cargas de gestión térmica de la batería; en la dimensión informativa, el controlador de dominio procesa en tiempo real los datos de la nube de puntos lidar (con una latencia <100 ms), optimizando dinámicamente la potencia de salida de la batería y la distribución del par; en la dimensión de seguridad, un mecanismo de fusión multisensor activa el apagado de los dispositivos semiconductores en 2 microsegundos para evitar la propagación de fugas térmicas.

Esta sinergia produce importantes beneficios en todos los ámbitos: la mejora de la eficiencia de los semiconductores amplía la autonomía en un 12% (en condiciones WLTC), los costes del lidar se reducen a 500 dólares por unidad, el valor de reutilización de la batería aumenta en un 40% y el sistema impulsa una reducción del 18% en los costes de los vehículos para 2030. Los futuros avances se centrarán en la transmisión sinérgica de interfaz entre baterías de estado sólido y semiconductores de banda ancha (GaN sobre SiC), la detección y la computación integradas en chips fotónicos, y el desarrollo de superlentes impulsadas por la IA (eficiencia de difracción superior al 90%) y materiales de blindaje electromagnético (atenuación superior a 50 dB). Sólo rompiendo las barreras disciplinarias entre la ciencia de los materiales, la optoelectrónica y la electroquímica podrá el vehículo inteligente de próxima generación lograr una revolución del paradigma tecnológico caracterizada por "la seguridad intrínseca, la eficiencia ultraelevada y el reciclado sostenible."

Stanford Advanced Materials se enorgullece de apoyar a los líderes de la industria con su completa cartera de estos materiales adaptados a baterías, semiconductores y tecnologías láser. Invitamos a investigadores y fabricantes a colaborar con nosotros y aprovechar nuestra experiencia para impulsar el futuro de los vehículos inteligentes, eficientes y sostenibles de nueva energía.