Las baterías de estado sólido se consideran la alternativa frente a las baterias de electrolito líquido en la carrera por la autonomía de los dispositivos, y más ahora, dado el auge de los vehículos eléctricos.
Una batería de iones de litio se compone de dos electrodos de metal (o de material compuesto), uno siendo cátodo y el otro ánodo, inmersos en un líquido conductor (electrolito).
El electrolito, el medio que permite que los electrones y las cargas positivas se muevan entre los electrodos, es un líquido inflamable. Además, el litio del que están hechos es un recurso limitado que es el foco de importantes problemas geopolíticos.
En las baterías de iones de litio, con el tiempo, es decir con los ciclos de vida (carga y descarga), el litio líquido se va solidificando comiendo de paso el separador entre el ánodo y el cátodo creando dendritas (o cavidades). Esas dendritas van a provocar una caída de las prestaciones de la batería y en los casos extremos provocar un sobrecalentamiento, un corto circuito e incluso una explosión.
Las baterías de estado sólido son más pequeñas, más livianas y proporcionan una mayor densidad de potencia que las baterías de iones de litio basadas en electrolitos líquidos, por lo que al mismo tiempo son mucho más seguras.
La batería de estado sólido es una evolución de la batería de iones de litio y debemos su principal desarrollo a John B. Goodenough, el considerado padre de la batería de iones de litio, de la Universidad de Austin (Texas). Y a sus 94 años, sigue al frente de un equipo de desarrollo para que las baterías de estado sólido sean una realidad. Pero para entender cómo funciona una batería de estado sólido, debemos primero recordar cómo funciona una de iones de litio.
Qué son las baterías de estado sólido y cómo funcionan
La gran diferencia entre una batería de estado sólido y una de iones de litio, que son las que se emplean en la actualidad, es que en lugar de utilizar electrolitos líquidos, éstos son sólidos. Las baterías de iones de litio han experimentado muchos avances tecnológicos, pero los expertos creen que ya han llegado al límite de su eficiencia y que el siguiente paso requiere un tipo de batería totalmente diferente.
Todas las baterías tienen tres partes fundamentales: el ánodo, el cátodo y el electrolito. La batería funciona porque tiene iones cargados que quieren viajar desde el cátodo hasta el ánodo a través del electrolito, y esto sucede a través de una reacción química que se produce en el interior de la batería y que genera electrones libres.
Como resultado, se crea una carga positiva en el cátodo que atrae a los electrones libres -ya que tienen carga negativa- desde el ánodo, y mientras estos electrones viajan es cuando se produce la energía que alimenta nuestros dispositivos.
El problema es que solo algunos materiales son válidos para estar en las baterías, por lo que los componentes deben elegirse con mucho cuidado en función de sus propiedades químicas. Por este motivo, avanzar en cuanto a la tecnología de la batería implica mejorar la eficiencia de un material existente o descubrir nuevos materiales que funcionen mejor. Y dado que ya han probado con todos los materiales existentes, ahora mismo esta tecnología ya no puede seguir mejorando.
Las baterías de estado sólido son uno de los descubrimientos que surgieron en este proceso, el más prometedor. Se utilizan diferentes electrolitos para lograr el mismo objetivo que cualquier otro tipo de batería, pero más rápido, barato y menos propenso a explotar por lo que también son más segura.
El electrolito mejor preparado para reemplazar las baterías de iones de litio está fabricado con vidrio a base de sodio. Según los investigadores, este tipo de electrolito produce una batería con tres veces la densidad de carga que las actuales, y tiene la ventaja de que el sodio (sal) es un material muy común en la tierra, por lo que es barato de fabricar y además tiene un menor impacto medioambiental.
El equipo de John Goodenough usa un electrolito sólido de cristal, el lugar del líquido. El electrolito de cristal permite usar un ánodo de metal alcalino (en el lado negativo) lo que incrementa la densidad de carga de la batería -puede almacenar más energía que una de iones de litio de mismo tamaño- y previene la formación de dendritas. Además, el cristal permite que la batería pueda funcionar incluso con temperaturas ambientes de -20ºC.
Las baterías de estado sólido utilizan, por lo tanto, un electrolito sólido en lugar de líquido o polimérico que mejora casi todas las características de la batería.
¿Qué está frenando que se utilicen ya en todas partes a nivel global?
Por el momento, el motivo es el coste de fabricación, tanto a nivel monetario como de dificultad de producción de este tipo de batería.
¿Por qué todavía no han llegado al mercado?
Las baterías de estado sólido son muy prometedoras porque solo proporcionan ventajas y ningún inconveniente con respecto a las actuales de iones de litio. El único problema que hay se encuentra en el proceso de fabricación, ya que todavía se está investigando cómo podemos fabricar este tipo de baterías a bajo coste y a gran escala, ya que en este momento su coste de fabricación haría que fueran demasiado caras para que pudieran ser adoptadas en el mercado.
Esto simplemente significa que el desarrollo de este tipo de baterías está en sus comienzos, y no pasará mucho tiempo hasta que encuentren una manera viable de fabricarlas a gran escala y a bajo coste. De hecho, compañías como la empresa Tesla están invirtiendo muchos esfuerzos en implementarlas en sus coches eléctricos y según los analistas, veremos estas baterías en el mercado cuando se llegue al punto de inflexión que supondrá el momento en el que un coche eléctrico supere en términos de autonomía a uno de motor térmico.
Como suele pasar, hay varios estudios en curso que además de las baterías de estado sólido podrían revolucionar el mercado. En concreto, la más prometedora parece ser las baterías de sulfuro de litio, las cuales han rediseñado los cátodos de azufre para acumular mayores cargas y tensiones, logrando al mismo tiempo que la capacidad de pérdida de la batería y el rendimiento sean menor y mejor en general.
La clave para la producción rápida y de bajo coste de baterías de estado sólido más ligeras, seguras y de mayor densidad energética para los vehículos eléctricos.
Otra técnica para mejorar el rendimiento de las baterías
Una nueva técnica de fabricación podría permitir que las baterías de iones de litio de estado sólido para automóviles adopten electrolitos cerámicos no inflamables utilizando los mismos procesos de producción que en las baterías fabricadas con electrolitos líquidos convencionales.
La tecnología de infiltración por fusión desarrollada por investigadores de ciencias de los materiales del Instituto Tecnológico de Georgia utiliza materiales de electrolitos que pueden infiltrarse en electrodos porosos pero densamente empaquetados y térmicamente estables.
El proceso de un solo paso produce compuestos de alta densidad basados en la infiltración sin presión y por capilaridad de un electrolito sólido fundido en cuerpos porosos, incluyendo pilas de electrodos separadores de varias capas.
«Mientras que el punto de fusión de los electrolitos de estado sólido tradicionales puede oscilar entre 700 y más de 1.000 grados centígrados, nosotros operamos a un rango de temperatura mucho más bajo, dependiendo de la composición del electrolito, aproximadamente entre 200 y 300 grados centígrados», explicó Gleb Yushin, profesor de la Facultad de Ciencias de los Materiales e Ingeniería de Georgia Tech. «A estas temperaturas más bajas, la fabricación es mucho más rápida y sencilla. Los materiales a bajas temperaturas no reaccionan. Los conjuntos de electrodos estándar, incluido el aglutinante o pegamento de polímero, pueden ser estables en estas condiciones».
La nueva técnica podría permitir la fabricación de grandes baterías de iones de litio para automóviles con cerámica 100% sólida y no inflamable, en lugar de electrolitos líquidos, utilizando los mismos procesos de fabricación de las baterías convencionales de electrolito líquido. La tecnología de fabricación, pendiente de patente, imita la fabricación de bajo coste de las pilas comerciales de iones de litio con electrolitos líquidos, pero en su lugar utiliza electrolitos de estado sólido con bajos puntos de fusión que se funden y se infiltran en electrodos densos. Como resultado, se podrían fabricar rápidamente células multicapa de alta calidad de cualquier tamaño o forma a escala utilizando herramientas y procesos probados desarrollados y optimizados durante los últimos 30 años para el Li-ion.
Las baterías de estado sólido sólo necesitan calentadores, que son bastante menos costosos que los sistemas de refrigeración.
«La tecnología de filtración por fusión desarrollada es compatible con una amplia gama de materiales químicos, incluidos los llamados electrodos de conversión. Se ha demostrado que estos materiales aumentan la densidad energética de las celdas de los automóviles en más de un 20% en la actualidad y en más del 100% en el futuro», afirma Kostiantyn Turcheniuk, coautor e investigador del Instituto Tecnológico de Georgia, y señala que las celdas de mayor densidad permiten una mayor autonomía. Las células necesitan electrodos de gran capacidad para dar ese salto de rendimiento.
Nuestro día a día necesita cada vez más baterías de mayor capacidad, durabilidad y estabilidad. Ya sea para los dispositivos móviles o los coches eléctricos, la necesidad de mejores baterías es evidente.
Toyota, por ejemplo, cree que hacia 2022 podría lanzar al mercado un coche eléctrico equipado con baterías de estado sólido. Y no es el único fabricante que ha depositado grandes esperanzas en esta nueva tecnología. Hasta hace poco Dyson planeaba fabricar un coche eléctrico, y tenía a su filial Sakti3 desarrollando esta tecnología. También los fabricantes de smartphones apuestan por las baterías de estado sólido, como Samsung. Aunque en este caso están más interesados en la seguridad que ofrecen ya que no se pueden incendiar como una batería de iones de litio “clásica”.
Ya son muchos los fabricantes que van depositando patentes relacionadas con las baterías de estado sólido: Toyota, Fisker o Samsung, e incluso el propio equipo de John Goodenough gracias a los avances de Maria Helena Braga en el campo del cristal como electrolito, han depositado patentes al respecto.
En dispositivos móviles ya se han conseguido autonomías de más de 5 días sin recargar y en coches eléctricos se han alcanzado cifras realmente interesantes de autonomía: 1000 Km sin demasiados problemas. China y Europa parece que van a liderar esta tecnología, así que es posible que en 2021 comencemos a oír hablar de ellas.
