Baterías de estado sólido: la última frontera del coche eléctrico
ÁLVARO SAURAS 14/07/2021
El electrolito es un elemento clave en las baterías. Y los electrolitos de estado sólido van a permitir construir baterías más estables, seguras, duraderas y compactas… además de menos tóxicas. Representan, en otras palabras, la evolución definitiva de las baterías.
Antes de comenzar, vaya una advertencia por delante: con este artículo no pretendemos sentar cátedra sobre el futuro de la tecnología de electrolito sólido, predecir su evolución o anticipar qué empresas o soluciones serán líderes en este campo en el futuro, sino sólo de explicar el concepto que hay detrás, porque la expresión ‘electrolito sólido’ se empieza a volver omnipresente. A diferencia de lo que ha ocurrido con la evolución de las baterías de iones de litio convencionales, los fabricantes comienzan a invertir grandes sumas en participar o tomar el control de empresas dedicadas a esta tecnología, como está ocurriendo con Volkswagen y Quantum Scape o BMW y Ford con Solid Power (ambas, marcas norteamericanas forjadas hace una década en laboratorios de materiales de prestigiosas universidades).
Sin embargo, aunque ya se ha vuelto lo bastante prometedora como para estar seguros de que es el futuro, el electrolito sólido sigue siendo una tecnología compleja y en evolución y, al igual que otras tecnologías revolucionarias (como, por ejemplo, el grafeno), se trata de un negocio que ofrece beneficios potenciales tan grandes como los riesgos e inversiones a medio y largo plazo que entraña.
Las baterías de estado sólido serán notablemente más pequeñas y ligerasque las actuales
Como suele ocurrir con los grandes inventos (pensemos, por ejemplo, en la energía nuclear), detrás del electrolito sólido se esconde un concepto relativamente sencillo: resolver unos pocos obstáculos presentes en el camino hacia la construcción de una batería recargable perfecta.Irónicamente, la batería perfecta existe desde hace años, y está al alcance de cualquiera en muchos establecimientos o en Internet. No tienes más que googlear “Energizer Ultimate Lithium” y podrás hacerte con un paquete de pilas plagado de afirmaciones que suenan demasiado buenas como para ser verdad, como que duran más que cualquier otra pila del mundo o pueden almacenarse durante 20 años sin que pierdan carga. Pero… son verdad.
Si tienes curiosidad, incluso puedes abrir una (o mejor, buscar un vídeo en Internet de alguien haciéndolo). Comprobarás que, en su interior, cada una de esas baterías cuenta con una triple lámina enrollada compuesta por litio metálico (el ánodo o polo negativo), un separador de plástico (el electrolito, compuesto esencialmente por una lámina muy porosa de polióxido de etileno) y un fino polvo de sulfuro de hierro (una sustancia parduzca que reacciona con la humedad del aire para emitir un compuesto putrefacto llamado sulfuro de hidrógeno o H2S). En efecto, las Energizer Ultimate Lithium son pilas de litio/sulfuro, y con ellas podría construirse una batería para coche eléctrico que sería aproximadamente 10 veces más ligera y pequeña que las actuales. Sólo tienen un ‘pequeño’ problema: no se pueden recargar. O mejor dicho, no deben recargarse porque, al igual que las afirmaciones sobre sus prestaciones, las advertencias que figuran en el paquete sobre incendios y explosiones también van en serio. Y la historia del electrolito sólido va de acabar con esas advertencias.
De hecho, las baterías de ión-litio de estado sólido (o SSLIB, por sus siglas en inglés) y las baterías de litio metálico y estado sólido (ASSB o All Solid State Batteries) ya se consideran la siguiente generación de sistemas de almacenamiento de energía eléctrica, y los electrolitos sólidos son la clave de su funcionamiento. Comparados con los electrolitos actuales, los electrolitos sólidos ofrecen más estabilidad térmica (baterías más seguras, fáciles de utilizar y duraderas), menos tóxicas, más ligeras y más compactas.
¿QUÉ ES EL ELECTROLITO?
El electrolito es un componente fundamental de cualquier dispositivo electroquímico o batería. La función del electrolito es proporcionar un medio de transporte para los iones entre el ánodo y el cátodo de la batería. Cuando se descarga una Ultimate Lithium, el litio del ánodo se disuelve, se convierte en un catión (un átomo con carga positiva que se suele representar como Li+), que atraviesa el electrolito para encontrarse con el sulfuro de hierro del cátodo, dando lugar a una serie de reacciones químicas capaces de absorber cuatro electrones. Esos cuatro electrones viajan hasta el cátodo por un circuito eléctrico exterior a la batería y, de paso, hacen funcionar el trasto eléctrico o electrónico en el que hayas insertado las baterías.
Cuando se trata de recargar una Ultimate Lithium, el litio regresa del cátodo hacia el ánodo, formando unas agujas metálicas llamadas dendritas que perforan el electrolito y cortocircuitan el interior de la pila. Esto genera una corriente eléctrica que calienta el interior de la pila, fundiendo el electrolito y empeorando las cosas. A esta situación se le denomina thermal runaway o escalada térmica y, hasta ahora, es un riesgo inherente a toda batería de litio, sea recargable o no. En algunos tipos de batería de litio recargable, como las de litio/fosfato, las consecuencias no son muy espectaculares. En otros, dotados de mucha más densidad energética, como por ejemplo las litio/polímero con cátodo de tipo MNC usadas en casi todos los coches eléctricos… buff, bienvenido a los fuegos artificiales de la verbena de tu pueblo.
En 1992, Sony encontró una solución paliativa al problema de las dendritas y la perforación del electrolito con la invención de las baterías de ión-litio que todos usamos actualmente. La sutileza de lo de ión-litio consiste en que el litio del ánodo se almacena disuelto en grafito superporoso (en un futuro cercano, se va a sustituir el grafito por silicio, más ligero y con más capacidad). Siempre que la batería no se sobrecargue (es decir, no supere cierta tensión límite situada aproximadamente en unos 4,3 voltios), el litio ‘empapa’ de forma ordenada el grafito, evitándose la formación de dendritas. Una vez eliminado el problema de las dendritas, ya puedes emplear como electrolito un plástico superporoso embebido en una disolución orgánica de sales de litio que actúa como medio de transporte iónico.
Sin embargo, el empleo de grafito tiene una consecuencia terrible: la capacidad de la batería disminuye drásticamente. La densidad de carga que puede almacenar el grafito es nada menos que 10 veces inferior a la del litio. De hecho, y en teoría, el litio tiene una capacidad específica de carga de 3.860 mAh por gramo. Sí, has leído bien. En teoría, la batería de 120 Ah de un BMW i3 podría construirse con 96 celdas de litio metálico conectadas en serie, cada una conteniendo 31 gramos de litio. Suena tentador, ¿verdad?
QUE PASE EL ELECTROLITO SÓLIDO
Sin embargo, como hemos explicado antes, y debido a la formación de dendritas, los ánodos de litio metálico no son compatibles con los electrolitos líquidos actuales, porque los separadores porosos poliméricos actuales no proporcionan una barrera física lo bastante sólida como para evitar la perforación por parte de las dendritas. Además, estos electrolitos líquidos, basados en disoluciones de sales como el LiPF6 en solventes orgánicos carbonatados, son tóxicos e inflamables (de hecho, a alta temperatura, los carbonatos se descomponen, proporcionando una fuente adicional de oxígeno).
La solución consiste en reemplazar este endeble y peligroso electrolito líquido con un electrolito sólido, resistente e inerte. La batería de electrolito sólido resultante carecería de una interfase líquida vulnerable entre ánodo y cátodo. De hecho, el electrolito sólido podría ser mucho más ligero y delgado que el electrolito líquido actual, lo que mejoraría aún más la densidad volumétrica (Wh por litro) como gravimétrica (Wh por kilo) de energía de la batería.
Y aquí es donde viene la complejidad. Existen muchísimos conductores iónicos líquidos adecuados, pero no tantos sólidos. Para construir una buena ASSB, el electrolito sólido debe reunir ciertas características. Para empezar, debe tener una elevada conductividad iónica, ya que de ella dependen las intensidades máximas de carga y descarga (es decir, la potencia máxima de la pila y el tiempo de recarga).
Después, debe tener una gran estabilidad electroquímica, porque el litio tiene tendencia a reaccionar con prácticamente todo. En tercer lugar, debe ofrecer una buena interfase con el litio y el cátodo; es decir, debe dejarse ‘mojar’ o adherirse bien tanto al litio como al material del cátodo. En cuarto lugar, debe ofrecer una resistencia mecánica lo bastante buena como para que una capa de unos pocos micrómetros de espesor resista la penetración de las dendritas metálicas de litio durante miles de ciclos de carga y descarga. En quinto lugar, debe ser flexible, porque se van a producir grandes cambios de volumen en la celda; ten en cuenta que, literalmente, en cada ciclo de descarga, todo el litio del ánodo desaparece y pasa a engrosar el cátodo. En sexto lugar, conviene que el electrolito sólido sea barato. Y finalmente, nos encantaría poder reutilizar los actuales procesos de fabricación de baterías.
SE BUSCA ELECTROLITO PERFECTO
Las buenas noticias son que los primeros puntos están más o menos resueltos. Tal como explicamos en el esquema adjunto, actualmente existen dos grandes familias de electrolitos sólidos, orgánicos e inorgánicos, y en esta última contemplamos dos grandes subgrupos: los óxidos y los sulfuros.
No vamos a entrar a describirlos en detenimiento. Baste decir que, a grandes rasgos, todos presentan uno o varios inconvenientes graves. Por ejemplo, los óxidos como el LiSICON no ofrecen suficiente conductividad iónica a temperatura ambiente. Los sulfuros, como el tio-LiSICON, tienen buena conductividad iónica (cuatro órdenes de magnitud más que el LiSICON, y comparable con la de los electrolitos líquidos), pero para fabricar capas finas hay que calentarlos a temperaturas del orden de los mil grados… y suelen arruinarse al enfriarse. Además, tanto óxidos como sulfuros son cerámicas con tendencia a romperse con los cambios de volumen del ánodo y el cátodo. En cuanto a los polímeros, cuentan con buenas conductividades iónicas y son fáciles de producir en capas finas a temperaturas próximas a las del ambiente… pero se dejan pinchar por las dendritas.
Así las cosas, los ingenieros de materiales de todas las grandes empresas dedicadas a la investigación de All Solid State Batteries (como las citadas Solid Power y Quantum Scape) están centrados en lograr lo que se hace siempre que se busca un material con propiedades intermedias entre las de dos materiales… ¡mezclarlos!
Las baterías de litio metálico y estado sólido (ASSB) serán la siguiente generación de almacenamiento
Los electrolitos sólidos híbridos son una combinación de electrolito inorgánico y orgánico, y son la solución más prometedora al problema. Los detalles de los procesos de fabricación son secretos, pero básicamente consiste en sinterizar a alta temperatura un electrolito inorgánico poroso y rellenarlo con un electrolito orgánico que aporta la flexibilidad. Son, literalmente, un material compuesto, y en los gráficos puedes hacerte una idea de cuál es el proceso de fabricación.
La llegada de estas baterías ASSB, con litio metálico en el ánodo y electrolito sólido, se espera para alrededor de 2025. De hecho, fabricantes como Honda se han comprometido a presentar ese año un vehículo eléctrico basado en ellas… aunque puede que sea un modelo tan experimental como los Toyota Mirai de pila de combustible actuales.
Lo que sí es seguro es que cada vez hay más empresas que están ofreciendo a los fabricantes celdas de estado sólido de capacidades eléctricas muy respetables (en el orden de los 50 Ah) para que hagan sus experimentos. De manera que la era de las baterías compactas, ligeras, seguras, duraderas y con grandes velocidades de carga y descarga está a la vuelta de la esquina. Y la empresa que se lleve el gato al agua, va a hacerse de oro. De manera que puede ser el momento de invertir un euro o dos en todas ellas. Piensa en ello.
