Los avances en el campo de las baterías podrían mejorarlas considerablemente en breve

Las celdas de estado sólido serían más rápidas y seguras que las actuales de iones de litio

The Economist

Como cualquier campeón que permanece demasiado tiempo en la cima, la batería de iones de litio se está estancando. Durante décadas, como batería preferida en ... todo tipo de dispositivos, desde teléfonos inteligentes hasta coches eléctricos y drones, su diseño se ha modificado en innumerables ocasiones para mejorar su densidad energética y su rendimiento. Sin embargo, según algunos científicos, esas mejoras se están acercando a sus límites teóricos. Incluso los mejores modelos son propensos a agotarse con el frío, a perder capacidad rápidamente o —como ocurre con las baterías de los dispositivos domésticos— a incendiarse espontáneamente.

Los avances en la ciencia de los materiales están por fin poniendo algunos de ellos al alcance de la mano. Los fabricantes de baterías están modificando los materiales existentes y creando combinaciones novedosas para diseñar baterías que almacenen más energía y sean al mismo tiempo más seguras y estables que cualquier otra del mercado actual. La batería de iones de litio, la joya de la corona, podría estar en juego.

Las baterías de estado sólido se encuentran entre las alternativas más prometedoras. Cuando se carga una batería convencional de iones de litio, estos migran del cátodo al ánodo; cuando se descarga, regresan. El medio por el que se desplazan los iones se denomina «electrolito», normalmente un disolvente orgánico inflamable que impregna todos los componentes de la batería. Sin embargo, en las baterías de estado sólido, el ánodo, el cátodo y el electrolito se comprimen juntos en forma de placas. Esto significa que se pueden empaquetar más materiales conductores en el mismo espacio, lo que permite densidades energéticas de hasta 500 vatios-hora por kilogramo (Wh/kg), en claro contraste con los aproximadamente 300 Wh/kg de los electrolitos líquidos. Además, son menos propensas a la combustión.

La fragilidad de las baterías de estado sólido

Aunque las baterías de estado sólido se llevan estudiando desde hace décadas, hasta ahora los investigadores solo han podido fabricar versiones minúsculas para su uso en dispositivos como implantes médicos. La barrera más importante para su generalización es la fragilidad. Cuando las celdas se cargan y descargan, los iones se incrustan repetidamente en el material del electrodo, lo cual hace que la batería se expanda y se contraiga, creando huecos entre los componentes que pueden provocar grietas y deformaciones, y ralentizando los iones y degradando el rendimiento de la batería.

En enero, investigadores de los Institutos de Tecnología Avanzada de Shenzhen, pertenecientes a la Academia China de Ciencias, dieron un gran paso hacia la superación del problema de la fragilidad. Crearon un material electrolítico de alto rendimiento apilando alternativamente capas de cerámica de 1-100 nm de espesor con láminas de polímero de espesor similar. A continuación, la pila se colocó perpendicularmente a la superficie de los electrodos, como un pastel de capas colocado de lado. Por sí sola, la cerámica es un buen conductor, pero propensa a agrietarse. El polímero, por su parte, es flexible pero un mal conductor. La combinación permitió que los iones se desplazaran con la misma fluidez que los mejores electrolitos de estado sólido existentes, pero con una tendencia mucho menor a agrietarse.

Un estudio del MIT indica que los científicos deberían buscar electrodos con mayor estabilidad química, y no solo con mayor resistencia

Hay otros obstáculos que superar. A medida que las baterías se cargan y descargan, pueden crecer en la superficie de los electrodos unos cristales filiformes conocidos como dendritas, lo que provoca grietas y, con el tiempo, cortocircuitos. Los científicos han creído durante mucho tiempo que estos se forman cuando el exceso de iones de litio del cátodo se acumula en la superficie del ánodo, en lugar de absorberse. Una solución obvia sería utilizar materiales de electrodos más robustos, que resistieran las grietas. Sin embargo, en un artículo publicado en marzo, un equipo dirigido por investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts concluyó que esta interpretación era errónea. En su lugar, afirmaron que las dendritas crecen cuando las reacciones químicas alteran las propiedades de los electrodos, provocando su debilitamiento. Esto sugiere que los científicos deberían buscar electrodos con mayor estabilidad química, y no solo con mayor resistencia.

La ciencia de los materiales también puede acelerar el funcionamiento de las baterías de estado sólido. En los electrolitos poliméricos convencionales, los iones solo pueden moverse a la velocidad que permiten los segmentos poliméricos circundantes. Un equipo del Laboratorio Nacional de Oak Ridge, en Tennessee, dependiente del Departamento de Energía de Estados Unidos, ha descubierto una forma de desacoplar ambos tipos de movimiento. Lo lograron añadiendo compuestos químicos llamados «zwiteriones» a segmentos poliméricos que, en condiciones normales, serían malos conductores. Aunque los zwiteriones son moléculas neutras, tienen regiones cargadas que pueden dar un impulso a los iones. Los resultados del equipo demostraron que esta configuración podría hacer que los iones se desplazaran a través del electrolito hasta 10.000 millones de veces más rápido. Las pruebas futuras mostrarán cómo funciona en una celda.

Desafiando los elementos

Una ventaja destacable de los electrolitos de estado sólido es que abrirían la puerta a materiales distintos del litio. Las baterías de iones de sodio, que sustituyen el litio del cátodo por sodio, resultan especialmente atractivas. El sodio no solo es más barato y estable que el litio, sino que es 1.000 veces más abundante en la corteza terrestre. Desgraciadamente, los átomos de sodio son más grandes y pesados que los de litio, lo que significa que es poco probable que se incrusten en los electrodos de grafito convencionales. En la actualidad, el resultado es una batería más pesada que puede almacenar menos energía. Aunque unos electrodos mejores pueden mejorar la situación —por ejemplo, el carbono duro, capaz de absorber iones de sodio en su estructura esponjosa, supera al grafito—, aún no se han encontrado electrolitos líquidos adecuados.

Un electrolito sólido sería más fácil de manejar. Por un lado, el menor riesgo de formación de dendritas en las baterías de estado sólido permitiría fabricar ánodos con metal de sodio altamente reactivo, lo cual posibilitaría almacenar más energía por kilogramo de lo que sería posible en la actualidad. Mientras que una batería con un ánodo de carbono duro tiene una densidad energética de alrededor de 175 Wh/kg, los ánodos de metal de sodio podrían alcanzar densidades cercanas a los 500 Wh/kg.

El sodio es más barato y 1.000 veces más abundante que el litio. También posibilitaría una mayor densidad energética

Para aumentar aún más la capacidad de una batería de iones de sodio de estado sólido, los investigadores están experimentando con la eliminación total del ánodo, que crearía espacio para un cátodo más grueso que pudiera contener más sodio, lo que a su vez aumentaría la cantidad de energía que podría almacenar una batería. La eliminación del ánodo no tiene por qué ser fatal para el funcionamiento de la batería. Mientras se carga, los iones de sodio se desplazarían del cátodo a otro componente de la batería conocido como «colector de corriente», donde se acumularían hasta que se produjera la descarga. En efecto, se crea un ánodo mientras la batería funciona.

El vertiginoso ritmo de los avances es el resultado de una competencia verdaderamente global para producir el mejor diseño de estado sólido, afirma Shirley Meng, científica de materiales de la Universidad de Chicago. Esta competencia también podría revolucionar la forma en que se fabrican las baterías. Por ahora, las baterías con electrolitos líquidos se fabrican sumergiendo los electrodos en cubas de disolventes y utilizando enormes cantidades de energía para secarlos. Las baterías de estado sólido fabricadas de esta manera desarrollan microporos en su superficie, lo que aumenta las probabilidades de mal funcionamiento. Los electrodos más gruesos también son más difíciles de fabricar porque se secan de forma desigual.

Por tanto, la denominada «fabricación de electrodos secos» —en la que se prensan polvos secos para formar baterías sólidas— se está tomando cada vez más en serio. Las pruebas han demostrado que reduce el consumo de energía aproximadamente a la mitad y los costes de fabricación en alrededor de una quinta parte, al tiempo que mejora el rendimiento general de las baterías. Muchas empresas, entre ellas Tesla, fabricante de baterías y vehículos eléctricos, y LG Energy Solution, fabricante surcoreano de baterías, compiten por ser las primeras en perfeccionar esta tecnología.

No es fácil distinguir entre el bombo publicitario y la realidad. Sin embargo, los avances recientes indican que las ambiciosas promesas podrían cumplirse: la empresa china Contemporary Amperex Technology, el mayor fabricante de baterías del mundo, ha anunciado que producirá baterías de estado sólido para 2027 y tiene previsto lanzar el primer vehículo eléctrico de iones de sodio para mediados de este año; Samsung, empresa de electrónica surcoreana, ha anunciado que fabricará en serie baterías de estado sólido para 2027, mientras que Toyota, el fabricante de automóviles japonés, ha hecho una promesa similar; y la estadounidense Ford Motors ha puesto en marcha este mes una unidad de fabricación de baterías y tiene previsto suministrar baterías a gran escala para centros de datos y empresas industriales para el año que viene. En el sector de la fabricación de baterías, estamos viviendo una época apasionante.

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