Las baterías de estado sólido prometen ser más seguras y duraderas que las convencionales. Ahora las empresas sugieren que podrían comercializar las baterías de estado sólido en los próximos cinco años para su uso en vehículos eléctricos y redes eléctricas.
Las baterías convencionales suministran electricidad mediante reacciones químicas entre dos electrodos, el ánodo y el cátodo, que suelen interactuar a través de electrolitos líquidos o de gel. En cambio, las baterías de estado sólido emplean electrolitos sólidos, como la cerámica.
Las baterías de estado sólido pueden proporcionar más energía que las baterías convencionales para la misma cantidad de peso o espacio. Las baterías de estado sólido serán muy beneficiosas para los vehículos eléctricos, en los que la autonomía es un parámetro bastante importante.
La tecnología, en teoría, parecía demasiado buena para ser cierta: un aumento de 10 veces la potencia (o una reducción de 10 veces el tamaño) respecto a las pilas de iones de litio tradicionales.
Es así como la empresa Solid Power, de Louisville en California, aspiraba a ganancias más modestas en sus primeros prototipos, pero aun así podría ver una mejora del 80% en un futuro próximo. Entonces, el 7 de agosto de 2021, tres ingenieros entraron en la sala de producción y extrajeron el voltaje de la mayor batería prototipo de metal de litio hasta la fecha.
Josh Buettner-Garrett, director de tecnología de Solid Power, lo supervisaba desde su despacho. Se sentía confiado, pero un poco aprensivo: «Sabíamos que podíamos hacer algo que se pareciera a una célula de batería, pero todavía había una posibilidad de que tuviéramos un ladrillo».
La batería de iones de litio que Solid Power espera dejar obsoleta es ya una maravilla moderna que hizo que sus principales investigadores recibieran un Premio Nobel.
Un poco de historia
Las anteriores pilas de litio-yodo de la década de 1970 duraban años más que las actuales pilas AA, AAA o D de base alcalina, gracias a la inigualable densidad energética del material. Fueron, por ejemplo, una ayuda inmediata para los pacientes con marcapasos, que ahora podían contar con una pila durante 10 años en lugar de dos. Pero el mayor impacto del litio en las pilas se produjo con las baterías recargables de iones de litio en la década de 1990 para la electrónica portátil y los vehículos eléctricos.
El litio ha sido el centro de la investigación sobre baterías durante décadas porque es un excelente conductor. Al igual que los demás metales alcalinos situados en el extremo izquierdo de la tabla periódica, el litio tiene un único electrón exterior que cede con facilidad, afirma el doctor Jeff Sakamoto, profesor de ingeniería mecánica de la Universidad de Michigan especializado en la investigación de baterías de estado sólido. «Eso crea un voltaje realmente alto», explica. Y en comparación con otros álcalis, como el potasio o el sodio, el litio tiene el menor tamaño de iones -y el tercer peso atómico más bajo de la tabla periódica-, lo que significa más electrones y carga para un tamaño de batería determinado.
La densidad energética de las pilas de iones de litio es hasta cuatro veces mayor que la de las pilas de níquel-cadmio a las que han sustituido en gran medida.
Las actuales baterías de iones de litio utilizan un electrolito líquido en el que los iones fluyen de un lado a otro entre el ánodo y el cátodo, recargando y descargando electrones. El cátodo (electrodo positivo) es un compuesto de litio, y el ánodo (electrodo negativo) -que determina el almacenamiento total- es de grafito. Este material es abundante, conduce bien y es fácil de trabajar. Sin embargo, la capacidad del litio metálico es 10 veces superior a la del grafito.
«El litio metálico es el material de mayor capacidad que conocemos», afirma el doctor Jun Liu, director del Pacific Northwest National Laboratory de Richland (Washington). Allí, Liu dirige un consorcio que busca el santo grial de las baterías para vehículos eléctricos: ligeras, de carga rápida y resistentes a la corrosión. Cree que lo han encontrado en los recientes avances del metal de litio.
Para aprovechar el potencial del litio, los investigadores han pasado décadas trabajando para superar los numerosos obstáculos del metal.
El principal obstáculo, dice Liu, es su reactividad. «La dificultad es que el litio metálico es demasiado reactivo. Se puede pensar en la corrosión: si entra en contacto con algo, lo corroe todo».
La principal forma de corrosión del litio en las baterías son las dendritas, que son estructuras de litio ramificadas que crecen desde el ánodo. Las dendritas, que también son un problema para las baterías de iones de litio, pueden perforar las piezas de la batería y provocar un cortocircuito. En una batería tradicional de iones de litio con electrolito líquido, eso puede provocar un incendio. El electrolito líquido es un disolvente inflamable a punto de encenderse: es el combustible que está detrás de los incendios de baterías que han sido noticia recientemente.
Los científicos acabaron dando con una solución que impedía el crecimiento de las dendritas y eliminaba el riesgo de incendio: un electrolito sólido, a menudo hecho de una cerámica similar a un semiconductor, que sustituía al electrolito líquido inflamable y bloqueaba físicamente el crecimiento de las dendritas. Y si las dendritas aún consiguen atravesar el electrolito cerámico, no hay reactividad inflamable.
Los electrolitos sólidos presentan retos adicionales. Deben igualar el sello relativamente fácil entre un electrolito líquido y el cátodo y el ánodo: el líquido simplemente se forma alrededor de ellos. El litio es, al menos, maleable a temperatura ambiente y se puede presionar en las superficies escarpadas de un material, pero sigue existiendo la conexión con el cátodo. Y la naturaleza frágil de la cerámica -que da lugar a grietas favorables a la dendrita- plantea dificultades adicionales de fabricación que empresas como Solid Power han tenido que resolver.
El siguiente obstáculo fundamental es la recargabilidad, dice el doctor Neil Dasgupta, profesor de ciencia e ingeniería de materiales de la Universidad de Michigan que estudia las baterías de metal-litio de estado sólido con Sakamoto.
Las baterías de iones de litio cumplen la norma industrial de cargarse más de 1.000 veces antes de degradarse de forma significativa, afirma. «Si enchufas tu teléfono cinco veces a la semana durante cuatro años, ya lo has cargado más de mil veces». Solid Power no quiere revelar cuántos ciclos pueden alcanzar sus prototipos actuales, pero Will McKenna, director de comunicaciones de la empresa, dice que siguen esforzándose por superar la marca de los 1.000 ciclos.
La novedad litio-metal
Gran parte de la investigación sobre las baterías de litio-metal se centra en el número de ciclos de carga que pueden soportar. Un equipo de la Universidad de Harvard fue noticia en mayo de 2021 al publicar que su célula de metal-litio mantenía la carga durante unos sorprendentes 10.000 ciclos.
Con 10.000 ciclos, podríamos reajustar nuestras expectativas sobre la vida útil de las baterías, afirma el doctor Xin Li, uno de los investigadores de Harvard responsables de la batería. «Podría durar hasta 25 años o incluso medio siglo».
Esta nueva tecnología podría suponer recargar un vehículo en el mismo tiempo que se necesita para llenar un tanque de gasolina.
Sin embargo, la batería de Harvard es una versión en papel de una pila tipo moneda, como la de un reloj o un audífono. Y es probable que estas proporciones no sean las mismas para la mayoría de las aplicaciones comerciales en el futuro, donde las baterías serán mucho más grandes y gruesas, y tendrán diferentes proporciones de materiales.
Los resultados de Harvard son aún más impresionantes. Su célula de batería de litio-metal fue capaz de recargarse en sólo tres minutos. Si esta tecnología puede llegar a los vehículos eléctricos, eso significaría poder recargar un vehículo en el mismo tiempo (o menos) que se necesita para llenar un depósito de gasolina. Actualmente, la mayoría de los vehículos eléctricos necesitan al menos tres horas para recargarse.
El mundo pudo ver por primera vez un vehículo eléctrico con batería sólida en los Juegos Olímpicos de Tokio, donde Toyota, en colaboración con Panasonic, equipó una flota de sus vehículos conceptuales LQ. Los LQ, con forma de burbuja, pudieron verse tras los maratones masculino y femenino, e incluso protagonizaron anuncios publicitarios de los Juegos Olímpicos reprogramados.
Estas demostraciones son emocionantes, a pesar de que Toyota no ha dado más detalles sobre las baterías del LQ, aún faltan años para que una batería de metal de litio llegue a una sala de exposición.
El CEO de Solid Power, Doug Campbell, afirma que aún faltan cinco años para que sus baterías lleguen a los vehículos de consumo, y ya BMW y Ford han firmado como socios.
El objetivo actual de la empresa es una batería para fabricantes de equipos originales que tenga casi el doble de densidad energética que las actuales baterías para automóviles y que se cargue al 90% en sólo 10 minutos.
La empresa, añade, va años por delante de la mayoría de sus rivales, gracias a su investigación sobre la adaptación de la tecnología de fabricación de iones de litio existente.
«La mayoría de los demás grupos, con la excepción de algunos gigantes con sede en Asia, siguen atrincherados en esa fase de investigación y desarrollo», afirma Campbell.
Toyota, por ejemplo, dice que su batería de estado sólido llegará probablemente en 2025, sin incluir ningún vehículo. Sakamoto dirige una startup de baterías de estado sólido, además de su trabajo en la Universidad de Michigan, y dice que el reciente impulso al desarrollo de baterías de metal de litio surgió después de que los vehículos eléctricosfueran viables y tuvieran demanda. «Me sorprende la rapidez con la que se encendió la luz y esta avalancha de apoyo financiero e interés por las baterías de estado sólido», afirma. «Todavía no hay ningún producto comercial, pero hay toda esta inversión».
El impulso a las baterías de estado sólido puede darnos un mundo en el que los vehículos eléctricos se recarguen en minutos y las baterías de los marcapasos duren medio siglo. Sólo queda la cuestión de cuándo llegaremos a ello.
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