Las baterías totalmente sólidas podrían aumentar la capacidad, la seguridad y la longevidad de la batería.
Las baterías de estado sólido prometen ser más seguras y duraderas que las baterías convencionales. Ahora, las empresas sugieren que pueden comercializar baterías de estado sólido en los próximos cinco años para su uso en «hipercoches» eléctricos y redes eléctricas.
Las baterías convencionales suministran electricidad a través de reacciones químicas entre dos electrodos, el ánodo y el cátodo, que normalmente interactúan a través de electrolitos líquidos o en 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 por la misma cantidad de peso o espacio. «Las baterías de estado sólido serán de gran beneficio para los vehículos eléctricos, donde la autonomía es un parámetro clave», dice Noshin Omar, director ejecutivo y fundador de Avesta Battery and Energy Engineering (ABEE) en Bruselas. «Las baterías de estado sólido también son mucho más seguras que las baterías de iones de litio convencionales, que utilizan electrolitos líquidos orgánicos que son inflamables y volátiles».
Ahora ABEE está ayudando a desarrollar un «hipercoche» eléctrico legal para la calle, el Fulminea, que saldrá al mercado en la segunda mitad de 2023. Contará con un paquete de baterías híbridas que combina las celdas de estado sólido de ABEE con ultracondensadores.
«Actualmente, nuestras baterías de estado sólido tienen una densidad de energía de aproximadamente 400 vatios-hora por kilogramo, que es aproximadamente el doble de la densidad de energía típica de las baterías comerciales de iones de litio en el mercado», dice Omar. «Para 2025, nuestro objetivo es lograr una densidad de energía de 450 vatios-hora por kilogramo».
El fabricante de automóviles italiano Automobili Estrema está desarrollando el Fulminea, que contará con cuatro motores eléctricos con una potencia máxima total de 1.5 megavatios (2.040 caballos de fuerza), lo que permitirá que el automóvil acelere de 0 a 320 km / h (200 mph) en menos de 10 segundos. Su paquete de baterías de 100 kilovatios-hora le dará un alcance esperado de aproximadamente 520 kilómetros (323 millas).
ABEE suministra las baterías, que utilizan ánodos metálicos de litio, cátodos ricos en níquel y un electrolito de sulfuro, mientras que el especialista en baterías Imecar Elektronik ayudará a empaquetar las celdas. El paquete de baterías tendrá un peso previsto de menos de 300 kilogramos, y Fulminea tendrá un peso en vacío total previsto de 1.500 kg.
«Ahora apuntamos hacia la escalabilidad de nuestra tecnología, optimizando el proceso de producción, la vida útil de la batería y la velocidad de carga», dice Omar.
Además, los científicos de la Universidad de California en San Diego, en asociación con el gigante de la electrónica LG, han desarrollado una nueva batería de silicio totalmente de estado sólido que, según las pruebas iniciales, es segura, duradera y densa en energía.
«Con las tendencias actuales, nuestro objetivo es producir nuestro primer producto comercialmente relevante para 2025 y lograr una amplia penetración en el mercado para 2030», dice el nanoingeniero Zheng Chen de la Universidad de California en San Diego.
Las baterías de estado sólido con altas densidades de energía generalmente se han basado en litio metálico para sus ánodos. Sin embargo, estos componentes imponen restricciones en las tasas de carga de la batería y requieren temperaturas cálidas durante la carga, generalmente 60 grados C o más. Los ánodos de silicio pueden superar estas limitaciones, lo que permite velocidades de carga mucho más rápidas a temperaturas de habitación a bajas mientras se mantienen altas densidades de energía.
«El litio metálico se ha considerado comúnmente como el santo grial de los ánodos de las baterías. El descubrimiento del silicio abre un amplio rango de posibilidades para adoptar alternativas al litio metálico», dice Chen. «Además, el silicio es un material muy abundante, de bajo costo y seguro. Este es un enfoque más respetuoso con el medio ambiente».
Los científicos y los fabricantes de baterías han investigado el silicio durante décadas como un material denso en energía para mezclar o reemplazar por completo los ánodos de grafito que se ven en las baterías de iones de litio convencionales. En teoría, el silicio ofrece aproximadamente 10 veces la densidad de energía del grafito.
Sin embargo, los intentos anteriores de agregar silicio a los ánodos de las baterías de iones de litio adolecen de problemas de rendimiento; específicamente, la cantidad de veces que dichas baterías pueden descargarse y recargarse mientras mantienen el rendimiento no es lo suficientemente alta para uso comercial. Esto se debe principalmente a cómo los ánodos de silicio podrían degradarse al interactuar con los electrolitos líquidos con los que están emparejados, así como a la forma en que las partículas de silicio pueden expandirse y contraerse en gran medida a medida que se recargan y descargan.
La nueva batería eliminó el electrolito líquido, en lugar de utilizar electrolitos a base de sulfuro sólido. A menudo se creía que estos electrolitos eran muy inestables, pero eso se debía a la investigación en sistemas líquidos que no tenía en cuenta la estabilidad encontrada en las versiones sólidas. El nuevo estudio encuentra que este electrolito es extremadamente estable en baterías con ánodos totalmente de silicio.
«La estrategia de estado sólido propuesta supera los desafíos predominantes asociados con los sistemas líquidos convencionales», dice Chen.
Los científicos también eliminaron todo el carbono y los aglutinantes de los ánodos. Esto redujo significativamente el contacto y las reacciones secundarias no deseadas que hicieron con el electrolito sólido, evitando la pérdida continua de energía que se observa típicamente con los electrolitos líquidos. Además, utilizaron partículas de silicio a escala micrométrica, que son menos costosas que las partículas de silicio a escala nanométrica que se utilizan a menudo en dicho trabajo.
En las pruebas, un prototipo de laboratorio entregó 500 ciclos de carga y descarga con una retención de capacidad del 80% a temperatura ambiente. Por el contrario, los estudios anteriores con ánodos de silicio generalmente solo lograron aproximadamente 100 ciclos estables.
Las nuevas baterías prometen una gran cantidad de densidad energética en términos de espacio. Como tal, los investigadores sugieren que estos dispositivos podrían finalmente encontrar uso en aplicaciones de almacenamiento en red.
«La batería de estado sólido basada en silicio aborda los problemas de costo y seguridad asociados con las baterías convencionales para tales aplicaciones», dice Chen. «Si tiene éxito, todos los hogares estarán equipados con sistemas de almacenamiento de energía impulsados por esta innovación que reducen sus facturas de servicios públicos, proporcionan una fuente de alimentación de respaldo y respaldan la transición energética global».
Por el contrario, los vehículos eléctricos suelen requerir baterías con una alta densidad energética en términos de peso. Aún así, «no descartamos aplicaciones automotrices», dice Chen.
Los científicos detallaron sus hallazgos en la edición del 24 de septiembre de la revista Science. La universidad y LG Energy Solution han presentado conjuntamente una solicitud de patente sobre este trabajo, y los investigadores de la universidad han lanzado una startup, Unigrid Battery, que ha licenciado esta tecnología.