Requisitos de los mercados de la electromovilidad y de las aplicaciones estacionarias

Uno de los componentes clave de un vehículo eléctrico es la batería. Para poder competir con los motores de combustión interna, la batería debe ser segura, garantizar una autonomía competitiva y tener un coste bajo. La industria del automóvil requiere baterías con alta densidad energética -para poder conducir desde Vitoria-Gasteiz a Barcelona con una sola carga (600 km)-, y alta densidad de potencia para aceleraciones seguras. Esto, traducido en cifras, representa una celda de 450 Wh/kg y 900 Wh/L, así como más de 5000 W/kg como picos de corriente cortos.

Actualmente, la mayoría de las baterías de iones de litio contienen un electrolito líquido que, aunque es muy eficiente en el transporte de iones entre el cátodo y el ánodo, tiene el inconveniente de que puede reaccionar y resultar inflamable en el caso de que se produzca un daño físico o un uso inadecuado. La tecnología de las baterías de estado sólido supone un avance ante estas desventajas, ya que su electrolito seguro y no tóxico es capaz de sustituir a su homólogo líquido.

La tecnología de estado sólido no sólo beneficiará al mercado del vehículo eléctrico, sino que también se integrará en las aplicaciones estacionarias. Más aún, las predicciones del mercado prevén un aumento exponencial del almacenamiento de energía estacionaria para su utilización en el hogar y en entornos industriales más grandes, como los parques eólicos. 

Baterías de estado sólido: ¿qué son?

Gracias a la combinación del ánodo de litio metálico con el material activo del cátodo de alto voltaje, la tecnología de estado sólido es actualmente la única que alcanza los requisitos más desafiantes y exigentes del sector de la automoción en términos de rendimiento.

El litio metálico presenta una capacidad para alojar iones de litio diez veces superior a la del grafito -el material del ánodo utilizado actualmente en la tecnología de litio-ion-. Con una cantidad limitada de cobalto, los cátodos de alto voltaje pueden alcanzar altas capacidades, sin embargo, no pueden utilizarse con seguridad en la tecnología actual. La integración con éxito de esta combinación única de materiales cambiará las reglas del juego. De hecho, los electrolitos sólidos se están convirtiendo en el santo grial.

Han surgido diferentes familias de electrolitos en estado sólido que compiten por entrar en el mercado:

• Electrolitos poliméricos: son fácilmente procesables, presentan un bajo coste y se fabrican con recursos abundantes. Estos materiales carecen de rendimiento a bajas temperaturas y en aplicaciones de potencia.
• Electrolitos inorgánicos: estos materiales, compuestos por óxidos o sulfuros como los más representativos, son sin duda unos candidatos serios. Sus prestaciones competitivas son muy atractivas, pero siguen existiendo importantes retos para el procesamiento y la disminución del nivel de peligrosidad de estos materiales.
• Electrolitos compuestos: una combinación de polímero y electrolito inorgánico que aprovecha las ventajas de cada uno. La combinación correcta puede ser muy probablemente la tecnología de electrolitos ganadora.

Los investigadores de CIC energiGUNE tienen más de 10 años de experiencia en el desarrollo de baterías de estado sólido y están cerrando la brecha entre la investigación y el desarrollo y la producción de celdas. El padre de la tecnología de las baterías de estado sólido, el profesor Michel Armand, forma parte de nuestro equipo de investigación, como mentor y como ejemplo que nuestro joven equipo de investigación está imitando.

En lo que se refiere a la integración de electrolitos sólidos en una celda multicapa, se plantean muchos retos tecnológicos. No sólo se requiere una alta conductividad iónica a temperatura ambiente para facilitar el transporte rápido de iones de litio y suministrar energía, sino también una ingeniería controlada de las interfaces electrodo-electrolito y la estabilización de cátodos de alta carga.

Entender el papel de las interfaces es un verdadero reto, ya que se corresponde con el punto donde se producen las reacciones electroquímicas. Es el lugar estratégico donde se encuentran el electrón y el ion, y que permite, a esta combinación de materiales, convertirse en una batería.

Hacia los “Li-metal free anodes” o ánodos sin litio

La interfaz debe ser altamente eficiente, presentar una baja resistencia y debe acomodar los diferentes materiales. En este sentido, y a modo de ejemplo, la interfaz metal litio-electrolito sólido debe ser estable para permitir una rápida electrodeposición (electrostripping) sin generar dendritas que destruyan la batería. Con una ingeniería adecuada de la interfaz, nuestros investigadores también están desarrollando un ánodo sin  litio (también conocido como “Li-metal free anodes” o “anode-less”) que se prevé como un avance tecnológico más.