Debido a ello, y en paralelo al resto de elementos, la industria está trabajando en definir qué potenciales opciones en relación a los ánodos pueden optimizar las prestaciones actuales para las futuras generaciones de baterías. Principalmente, de cara a su uso en la electromovilidad, que parece que será la gran aplicación que condicione el devenir de las baterías en los próximos años.

De ahí que, sobre todo, los esfuerzos se estén centrados, en lograr una mejora de la densidad energética y la capacidad de las baterías, así como en los tiempos de recarga (elementos clave para el futuro de los coches eléctricos) gracias a fórmulas optimizadas o nuevas soluciones de ánodos.

Tradicionalmente, las tecnologías de ánodos empleadas en la industria y en baterías como las de litio-ion se han basado en el grafito (tanto artificial como natural). Sin embargo, parece claro que esta solución está llegando a su límite teórico tanto en términos de capacidades debido a su capacidad específica, como en lo relacionado con la entrega de potencia y carga rápida debido a las lentas dinámicas de inserción y extracción de los iones de litio entre las capas de carbono. De ahí que el futuro pasé por una optimización de esta fórmula o por nuevas alternativas que puedan revolucionar, desde el punto de vista de los ánodos, las prestaciones de las baterías.

EL HARD CARBON COMO EVOLUCIÓN DEL ACTUAL GRAFITO

Como indicábamos anteriormente, los ánodos basados en grafito han sido tradicionalmente la opción adoptada por las baterías de litio-ion. Esto se debe a su estabilidad estructural y química, así como a otras propiedades como su peso o disponibilidad, lo que también lo han convertido en una alternativa de menor coste a otras, sobre todo en caso de basarse en grafito natural.

Cabe destacar, sin embargo, que la opción preferida por la industria del automóvil ha sido emplear baterías con ánodos de grafito artificial, a pesar de su precio algo superior al natural. Este tipo de composiciones ofrecen un mejor resultado en términos de capacidad y ciclos de vida en comparación con las soluciones naturales, lo que ha provocado su preferencia dentro del sector. Además, la utilización masiva de grafito natural ha llegado a comprometer su disponibilidad, calificándolo ya en algunos foros como materia crítica; aspecto que queda también solucionado con el uso de grafito artificial.

A pesar de sus ventajas y disponibilidad, sí parece claro, como ya se ha mencionado, que tanto las alternativas basadas en grafito natural como artificial están llegando a su “techo” en términos de desarrollo tecnológico, capacidad teórica, y prestaciones de carga y descarga. De ahí que se esté trabajando en “evolucionar” esta solución a una nueva alternativa que permita seguir aprovechando las ventajas del grafito en las futuras generaciones de baterías.

Parece que esta vía pasa por el llamado “hard carbon”, que supone emplear como ánodo una forma sólida del carbono que se caracteriza, entre otras cosas, por ser “no grafitizante”; es decir, se trata de una solución de carbono que no puede ser convertida en grafito mediante tratamiento térmico.

Gracias a su estructura porosa, se estima que esta solución puedan seguir contando con protagonismo en el futuro del sector del almacenamiento de energía, sobre todo en relación a las prometedoras baterías de iones de sodio, donde ya se ha demostrado su impacto en términos de mejora en la densidad energética de este tipo de dispositivos.

Sin embargo, los resultados desarrollados en otras líneas de investigación, hace pensar que serán otras composiciones las que triunfen en el futuro. Al menos, de cara a su uso en baterías destinadas a la movilidad eléctrica.

EL ESPERADO PROTAGONISMO DEL SILICIO

A pesar de ser una solución ya disponible parcialmente en el mercado en combinación con el grafito, la ruta tecnológica y desarrollo previsto para los ánodos de silicio hace pensar que pueden posicionarse como una de las grandes soluciones para desarrollar baterías que cumplan con las necesidades y requerimientos de la electromovilidad.

El silicio presenta, por sí mismo, dos ventajas fundamentales respecto al grafito que han despertado siempre el interés de la industria, como son una mayor capacidad activa y una mayor densidad energética. De ahí que ya existan soluciones que emplean este material dentro de la composición del ánodo, mezclándolo con carbono a fin de lograr combinar las fortalezas de ambos materiales. Sin embargo, parecen soluciones con fecha de caducidad, ya que el futuro de este tipo de ánodos pasará por alternativas que incluyen altos porcentajes de Silicio a través de nano-silicio u óxido de silicio.

Al menos en esta solución están trabajando dos de las startups del mundo de las baterías actualmente, como son Sila Nano y Enovix. A través de su propuesta tecnológica (que, en el caso de la primera, ya ha llamado la atención de empresas como Mercedes o BMW), han logrado aumentar la densidad energética de las baterías reduciendo además su peso y coste.

Ahora se espera que con sus próximas generaciones tecnológicas sean capaces de dar respuesta al gran inconveniente que presenta todavía esta solución: la degradación y menor vida útil que la formación de capas de interfaces de electrolitos sólidos y los cambios volumétricos pueden ocasionar en este tipo de ánodos. Una vez alcanzada la respuesta a este reto, toda la industria parece coincidir en que la segunda parte de esta década estará dominada por este tipo de ánodos.

LA OPCIÓN DEL LITIO A LARGO PLAZO

El litio siempre ha sido una de las grandes materias primas protagonistas dentro del sector de las baterías y el futuro podría volver a pasar por él de cara a impulsar las prestaciones de los ánodos de las generaciones de baterías venideras.

El litio como ánodo ofrece una gran ventaja respecto al grafito o el silicio, como es su densidad energética, notablemente más alta que las otras dos alternativas. Esto le permite ser una gran solución para baterías que vayan a ser empleadas, por ejemplo, en la industria del automóvil eléctrico, donde la autonomía y rango de kilómetros es una de las variables clave. Igualmente, su menor peso respecto a los otros dos materiales le permiten reforzar aún más su posición de cara a ser la solución que adopte una industria como la del vehículo eléctrico en el futuro.

Estas dos características siempre han sido conocidas en el sector de las baterías, pero la razón que ha provocado que no haya sido posible aprovecharlas es la estabilidad del litio como ánodo cuando se combina con electrolitos líquidos. Esto es lo que ha llevado a que, hasta la fecha, no haya sido posible su empleo, al estar basadas las generaciones convencionales en electrolitos de este tipo. Precisamente esta falta de atractivo es lo que ha provocado la otra “debilidad” de estas soluciones en comparación al grafito o el silicio, como es la falta de industrialización por ahora para la fabricación en masa de este tipo de ánodos.

Sin embargo, todo esto podría cambiar con la llegada de las baterías de electrolito sólido al mercado, el “santo grial” con el que se espera el boom definitivo de la industria del almacenamiento de energía y aplicaciones como el vehículo eléctrico o las energías renovables. Es precisamente su característica principal la que resuelve gran parte de la ecuación que hasta la fecha impedía el uso de los ánodos de litio, al sustituir el electrolito sólido por el líquido convencional. De ahí que los líderes del sector como Factorial, Prologium, QuantumScape, SES, Solid Power o Basquevolt estén trabajando en el desarrollo e industrialización de soluciones que incluyan el uso de este tipo de ánodos, que podrían ser los más populares una vez las baterías de estado sólido dominen el mercado a finales de esta década o principios de la que viene.

En cualquier caso, todavía quedan también importantes aspectos de mejora relacionados con la utilización de ánodos de litio, principalmente en cuanto a la velocidad de carga y descarga y su industrialización. Aunque existen opciones de mejora que pasan por diferentes procesos de fabricación y tratamiento del litio metálico, llevará tiempo su industrialización e implementación definitiva en el sector del automóvil.  

Como puede observarse, parece claro que, de la misma forma que parece que cambiará el paradigma de los electrolitos (de líquido a sólido), también lo hará el de ánodos (dejando a un lado el popular grafito por opciones de silicio o litio). Esto no deja de ser consecuencia de la evolución que se espera que tenga el sector dada su criticidad para el futuro de la transición energética, lo que explica la importancia de la investigación y desarrollo que centros como el propio CIC energiGUNE está desarrollando en este momento de cara al futuro de la sostenibilidad.