Celdas electroquímicas sin ánodo (anode-less)

Las denominadas baterías anodeless o sin ánodo (concretamente, sin ánodo de metal de litio) han llamado la atención de la industria de las baterías debido a la ausencia de capas metálicas de puro litio en el proceso de fabricación de las celdas, lo que las hace más fáciles de ensamblar, más seguras,  menos costosas y, por supuesto, más sostenibles.

Sin embargo, uno de los mayores retos a los que se va a enfrentar la comunidad científica en este 2023 es la reducción de la eficiencia en estos dispositivos debido precisamente a la deficiencia de litio en el dispositivo y a las capas ultrafinas e interfases que actúan como ánodos en estas configuraciones.

En CIC energiGUNE ya estamos trabajando en el desarrollo de revestimientos protectores (ASEI), en la formación de interfases estables, y en nuevos electrolitos sólidos compatibles con esta tecnología. Es decir, una investigación destinada tanto a eliminar la reactividad del litio metálico como para que el depósito y crecimiento de las diferentes capas sea lo más homogénea, compacta y pura posible.

Cátodos de alta energía sin cobalto ricos en manganeso

Hasta ahora, el cobalto ha sido considerado un elemento clave en la fabricación de baterías, especialmente debido al boom del vehículo eléctrico. Es más, según un estudio del Cobalt Institute del 2021, el 34% del cobalto extraído se destinó al vehículo eléctrico, a lo que habría que sumar un 31% que se destinan a las baterías de otro tipo de dispositivos.

Ahora bien, el 50-60% de los recursos mundiales de cobalto se encuentran en países políticamente inestables y se extraen en condiciones de trabajo cuestionables. De hecho, la Comisión Europea ya lo identificó en 2017 como una materia prima crítica de la que quería reducir su dependencia. De ahí que los cátodos de iones de litio sin cobalto sean claves para la futura generación de baterías para vehículos eléctricos. 

Sin embargo, reducir esta materia prima crítica de los cátodos sin comprometer la energía y el rendimiento de potencia supone uno de los mayores desafíos para la comunidad científica. De ahí que se busquen alternativas que compensen la falta de cobalto con algún otro material prometer que cumpla las mismas prestaciones.

Unas de las opciones de las que más oíremos hablar en este 2023 son los cátodos -sin cobalto- con alto contenido en manganeso. Hablamos de composiciones como LMO (óxido de litio-manganeso), LNMO (óxido de litio-níquel-manganeso), ricos en Li-Mn (también abreviado como LMR-NMC) y LMP (fosfato de litio-manganeso) o LMFP ( fosfato de litio-manganeso-hierro).

Entre ellas, destaca el LMNO espinela de alto voltaje, en el que está trabajando CIC energiGUNE en proyectos como CoFBAT, 3believe, HighSpin y Nextcell, como alternativa prometedora.  

A lo largo de este 2023 veremos cómo los esfuerzos de investigación se centrarán en acelerar su comercialización, para conseguir llevar estas baterías más sostenibles, del laboratorio a las aplicaciones reales.

Electrodos verdes en base acuosa

En una sociedad cada vez más consciente de la importancia de la sostenibilidad, tan importantes resultan los materiales de las baterías que se escojan (que no estén categorizados como “materias críticas”), como que el proceso de producción de dichas baterías sea lo más ecológico posible.

De ahí que este ano cada vez escuchemos más hablar sobre los denominados electrodos verdes en base acuosa. Éstos hacen referencia a una alternativa de fabricación de los electrodos que no hace uso de disolventes tóxicos, agresivos con el medio ambiente e inflamables, apostando por un método de producción mucho más ecológico y sostenible.

Esta evolución requiere ciertos procesos de adaptación en la fabricación de los electrodos, pero la tendencia en las políticas y regulaciones relacionadas con las baterías, hacen creer que dicha apuesta tomará el camino correcto en el medio y largo plazo.

Electrolitos híbridos y de doble capa

Hemos hablado largo y tendido de las ventajas de las baterías de estado sólido frente a las baterías con electrolito líquido, gracias a la mayor densidad de energía, seguridad y ciclaje que ofrecen. Sin embargo, la conductividad iónica y la compatibilidad con los cátodos de alto voltaje/energía, aún se presenta como un reto para la comunidad científica.

En 2023, se abre una nueva vía de investigación basada en los denominados electrolitos sólidos híbridos (HSE). Se trata de una combinación de electrolitos poliméricos e inorgánicos que resultan prometedores al combinar las ventajas de estos dos tipos de electrolitos sólidos y, al mismo tiempo, superar las desventajas de cada componente cuando se usan por separado. En resumen, esta combinación supera el reto de la conductividad iónica, y presenta una reducida resistencia interfacial entre el electrolito y los electrodos, una gran robustez mecánica y una excelente procesabilidad.

Al igual que en el caso de los HSE, existe otra corriente de investigación de electrolitos llamada a revolucionar el sector de las baterías de estado sólido. Son los denominados electrolitos de doble capa, y hacen referencia a una batería de metal de litio con electrolitos compuestos por capas fabricadas de diferentes materiales donde cada una cumple una función específica diferente; como pueden ser, mejorar la conductividad iónica del compuesto total por un lado, y proteger la parte más crítica de los altos voltajes que proporcionan ciertos cátodos por otro.

Esta combinación de materiales ha demostrado que mejora tanto la estabilidad como la capacidad del dispositivo y está ligada a una cuidadosa selección de las sales de litio.

Veremos en los próximos meses la evolución en la investigación de estas dos nuevas corrientes y cuál de ellas llegará al mercado en los próximos años.

Diseño de materiales asistido por ordenador

La carrera por la electrificación y descarbonización del transporte, exige un avance en el desarrollo de baterías. Y dicho avance pasa por un descubrimiento acelerado de materiales que facilite que los sistemas de almacenamiento sean más seguros, más baratos, más eficientes y de mayor duración. Es decir, que cumplan los requisitos del mercado de la automoción.

Existe, por tanto, en la actualidad, una incansable investigación de la comunidad científica que realiza cientos de miles de testeos de materiales en diferentes condiciones, para descubrir y verificar aquellos materiales que realmente cumplen con los requerimientos de la industria. Una investigación laboriosa y tediosa basada en la prueba y el error.

De ahí que este 2023 vaya a resonar (como viene haciéndolo desde hace algunos años ya) el concepto del diseño de materiales asistido por ordenador. Una técnica basada en el uso de la inteligencia artificial para el aprendizaje automático, eficiente y efectivo de los datos generados a partir de éxitos y fracasos del pasado, y aplicado, en este caso, a la síntesis química de materiales para su integración en baterías.

Se basa en una serie de algoritmos que estudian y aprenden del comportamiento de los materiales previamente diseñados, fabricados y testados, y aplican las mejoras aprendidas en el diseño de nuevas y actualizadas versiones. Supone una clara ventaja en el descubrimiento de materiales que, sin duda acelerarán la expansión de las baterías y, al mismo tiempo, un acercamiento al deseado futuro de 0 emisiones. 

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