Las baterías post-Li-ion y su promesa de mayor densidad de energía, seguridad y menor coste, están hoy en boca de todos, así como en la hoja de ruta de CIC energiGUNE.

Las baterías de litio-ion son hoy en día mayoritarias para muchas aplicaciones y ya han transformado nuestra sociedad al hacer posible la revolución inalámbrica. Pero el desafío actual, con la industria del vehículo eléctrico en expansión, es enorme, ya que nuestra sociedad debe evolucionar hacia una completa descarbonización.

Desafortunadamente, las baterías de iones de litio no podrán satisfacer las crecientes demandas de densidad de energía y mejor vida útil por sí mismas, por lo que el sector de almacenamiento de energía está ya dando un paso adelante.

Nuevos términos, que al principio pueden resultar confusos, se encuentran cada vez más en la literatura científica y en los medios: post-Li-ion, post-Li, post-litio, “beyond-lithium”, “beyond-lithium-ion”, etc.

Estos son términos generales que cubren diferentes tecnologías: baterías de sodio-ion (iones de Na), zinc-ion (iones de Zn), metal-azufre (Na-S, Li-S), metal-aire (Na-aire, Li- aire), baterías de estado sólido, flujo redox, etc. Todas ellas difieren en los principales componentes y en su química redox, lo que resulta en desafíos, métricas y grados de madurez distintos.

Para comprender las principales diferencias entre todas las tecnologías emergentes de almacenamiento de energía electroquímica, aclararemos algunos términos y conceptos.

Auge de las tecnologías para baterías

Las baterías almacenan energía eléctrica a través de reacciones redox. Cuando la batería se descarga, las especies químicas en el electrodo negativo se oxidan, liberando electrones que proporcionan corriente eléctrica y son consumidas por las especies químicas en el electrodo positivo.

Por cada electrón que atraviesa el circuito externo, también se consume una cantidad equivalente de carga positiva, transportada en forma de iones, para equilibrar las cargas. En las baterías de iones de litio, los portadores de carga son cationes Li+, y estos se transportan entre los dos electrodos que deben poder acomodarlos en su estructura atómica (por ejemplo, NMC o LFP y grafito).

Las baterías de iones metálicos (iones de litio, iones de sodio, iones de potasio, iones de zinc, iones de magnesio, iones de calcio, iones de aluminio) difieren en el portador de carga. Cuanto mayor es la carga transportada por un ion, mayor es la capacidad específica resultante, pero más difícil resulta la migración de iones multivalentes en electrolitos y electrodos.

Por otro lado, si se usa directamente un ánodo metálico (en lugar de un material anfitrión capaz de acomodar los iones alcalinos), eliminaremos el "ion" del término genérico y hablaremos de una batería de metal (recargable). Por ejemplo, en una batería de litio, el litio metálico reemplaza al grafito, lo que da como resultado una capacidad mucho mayor pero también problemas de seguridad importantes que aún deben resolverse.

De hecho, los ánodos metálicos de Li se retiraron del mercado a finales de los años 80, pero actualmente se están realizando grandes esfuerzos de investigación para su posible regreso. Del mismo modo, podrían usarse otros portadores de carga, lo que llevaría a baterías de sodio, magnesio o calcio, por ejemplo.

Por lo tanto, las baterías posteriores a las de iones de litio (o post-Li-ion) incluyen todo tipo de tecnologías de almacenamiento emergentes que representen un paso adelante con respecto a las baterías de iones de litio actuales (incluidas las baterías de Li metal).

Por otro lado, las baterías posteriores a las de Li metal (o post-Li), necesariamente involucran un portador de carga diferente que no sea Li+.

En ambos casos (post-Li-ion o post-Li) existen diferentes conceptos.

En las baterías de estado sólido (Li-SSB), el electrolito -que permite la movilidad iónica entre electrodos, y que en baterías de iones de litio consiste en una sal de litio disuelta en un disolución orgánica inflamable- se reemplaza por un sólido.

La mayoría de los desarrollos se centran en el Li metálico como electrodo negativo (post-Li-ion), ya que representa el mayor beneficio en densidad de energía, aunque otros ánodos (grafito, silicio) pueden usarse alternativamente junto con materiales típicos de electrodos positivos de las baterías de Li-ion (en ese caso seguiría siendo una batería de iones de litio).

Existen muy pocos ejemplos comerciales de Li-SSB, aunque varios anuncios de comercialización por parte de diferentes empresas del sector revelan que esta es la tecnología con mayor grado de madurez, capaz de llegar al mercado en los próximos años.

Algunos investigadores están también trabajando en otros tipos de SSB, como por ejemplo, con Na metal (siendo una batería post-Li en este caso).

En las baterías de metal-aire, un electrodo positivo externo de O2 y un electrodo negativo de metal se usan típicamente con electrolito líquido. La carcasa de la celda tiene aberturas de ventilación para permitir que el aire se difunda, y se utiliza una matriz de carbono poroso en el electrodo positivo como anfitrión de los productos sólidos que se forman en la descarga. Las celdas de metal-S tienen una configuración similar, excepto que el material electroactivo del electrodo positivo, es decir, el azufre, está alojado en una matriz de carbono porosa, y las celdas están selladas.

Las baterías de flujo redox se basan en un concepto diferente, ya que consisten en soluciones que contienen solutos electroactivos que fluyen a través de una pila de electrodos, a su vez compuestos de electrodos metálicos porosos separados por una membrana selectiva de iones. Con este diseño, la capacidad de almacenamiento de energía de la batería se define por el tamaño de los tanques que contienen soluciones de catolitos y anolitos, mientras que la densidad de potencia depende del área superficial de la pila de electrodos.

Muchas tecnologías prometedoras

En resumen, la revolución de las baterías Li-ion está indudablemente dando paso a otra. Ahora hay varias tecnologías en desarrollo que son muy prometedoras en muchas métricas.

Como es habitual en las baterías, no habrá solamente un tipo de batería capaz de cumplir simultáneamente con todos los requisitos (coste, densidad de energía, sostenibilidad, seguridad, velocidad, ciclabilidad…). Pero el número de opciones disponibles será mayor, y cada tecnología se seleccionará en función de la aplicación, con la hibridación como fenómeno cada vez más habitual.

Sin embargo, esto NO significa el fin de las baterías de iones de litio (como podrían evocar, de manera engañosa, términos como post-Li-ion). Aún se esperan mejoras incrementales en la densidad de energía de las baterías de litio-ion en los próximos años para finalmente alcanzar su límite teórico, y la creciente escala de producción probablemente conducirá a precios más bajos, permitiendo su penetración en aplicaciones estacionarias donde el coste es el requisito principal. De manera que las celdas de iones de litio seguirán dominando el mercado en los próximos años.

Son tiempos emocionantes para el sector de almacenamiento de energía, con muchas oportunidades en toda la cadena de valor y grandes beneficios para la humanidad. Iniciativas como Battery 2030+, destinadas a fomentar una ciencia disruptiva para la industria europea de baterías, son un buen ejemplo de ello.

En CIC energiGUNE no perdemos esta oportunidad. Nuestras actuales actividades de investigación cubren la mayor parte de estas tecnologías, manteniendo la sostenibilidad como valor central.

En los últimos años hemos adquirido experiencia diferencial, desde la escala atómica hasta el dispositivo, en baterías de iones de litio, SSB, iones de Na, M-aire, Li-S o flujo redox, con contribuciones relevantes tanto a través de proyectos de ciencia básica como de colaboraciones industriales, además de haber formado a un buen número de investigadores para cubrir las necesidades del sector.

Una nueva era ha comenzado.