Todavía no existe unanimidad dentro de la industria sobre qué electrolito puede ser el “ganador”, ya que todas estas alternativas presentan ventajas y áreas de mejora diferentes entre sí que en muchos casos plantean la posibilidad de que en el futuro coexistan de cara a ser empleadas en distintas aplicaciones según la necesidad.
De ahí que las diferentes compañías que trabajan en el desarrollo de las tecnologías de estado sólido cuenten con su propia apuesta y propuesta de valor, según el mercado final que aspiran satisfacer.
Recordemos que las tecnologías de estado sólido no sólo pretenden ser la disrupción crítica en industrias como el vehículo eléctrico (donde más atención están concentrando actualmente); sino también en otras aplicaciones como la electrónica de consumo, las aplicaciones estacionarias dirigidas a impulsar las energías renovables o incluso otros medios de transporte como la aviación (como ya vimos en nuestras redes sociales) o el sector ferroviario.
¿Qué propiedades presenta el uso de una u otra alternativa, así como ventajas según la aplicación? Lo detallamos a continuación:
POLÍMEROS: ALTA DENSIDAD A COSTE COMPETITIVO
Los electrolitos basados en polímeros parecen ser actualmente la gran apuesta para la electrificación masiva de industrias como el vehículo eléctrico. Esto se debe a dos de sus principales fortalezas respecto a otras alternativas.
Por un lado, presentan una alta compatibilidad con Li metal como ánodo de gran capacidad específica, lo que se traduce en una mayor autonomía y rango de kilómetros recorridos (indicador clave dentro de la automoción eléctrica).
Por otro lado, está su potencial de industrialización en formatos de celda más grandes, así como su escalabilidad gracias a una mayor facilidad de procesado inherente a los materiales plásticos. Todo ello, repercute en un coste más competitivo, lo que vuelve a suponer una propiedad clave para lograr vehículos eléctricos asequibles y accesibles a los diferentes segmentos de mercado.
Además, el uso de materiales poliméricos reduce la inflamabilidad de la batería, logrando así una mayor seguridad.
Sin embargo, existen algunos desafíos técnicos a afrontar para su industrialización masiva. Sobre todo, en relación a la conductividad iónica de este tipo de electrolitos, disminuida por la naturaleza semicristalina de los polímeros. Esto exige aumentar la temperatura de funcionamiento hasta valores superiores a los 60º, lo que implica la necesidad de contar con sistemas de gestión de baterías capaces de auto regular esta temperatura de cara a su uso óptimo.
ÓXIDOS: ESTABILIDAD Y SEGURIDAD
En el caso de los electrolitos sólidos basados en óxidos, nos encontramos ante una alternativa que se sitúa en el extremo opuesto a las soluciones de polímeros en términos de propiedades y ventajas.
Sobre todo, las fortalezas de esta tecnología se basan en su alta estabilidad mecánica y química, que los hace compatibles tanto con ánodos de gran capacidad específica como litio metal, como con cátodos de alto voltaje debido a su gran ventana electroquímica . Igualmente, presentan buena conductividad iónica (incluso a bajas temperaturas), repercutiendo, todo ello, en una mayor seguridad y “facilidad” de gestión; lo que supone una ventaja en términos de uso y aplicación.
Ahora bien, sus grandes retos son, precisamente, aquello que hace tan atractivo a los polímeros para su uso a gran escala: el procesado y escalado de su proceso de fabricación y el coste.
Su proceso de fabricación es más costoso y presenta menos sinergias con los procedimientos convencionales, lo que repercute en el coste final de producción y, con ello, en su precio de cara a acceder al mercado.
SULFUROS: CONDUCTIVIDAD IÓNICA EN UNA SOLUCIÓN POTENCIALMENTE INDUSTRIALIZABLE
Finalmente, encontramos los electrolitos sólidos basados en sulfuros, una solución que se sitúa en un punto intermedio entre las alternativas ya descritas, aunque con una gran área de mejora a resolver.
Como propiedades destacadas, destaca su alta conductividad iónica y sus propiedades mecánicas en cuanto a blandura y plasticidad, que le ofrecen ventajas para su procesado -en comparación con los óxidos- y a la vez, facilitan la formación de buenos contactos -interfaces- tanto con ánodos como con cátodos. Todo ello le permite ser una solución adaptable para un amplio rango de aplicaciones en diferentes condiciones de uso. Además, su proceso de fabricación no requiere etapas de sinterización de alta temperatura, lo que repercute en un precio final más asequible en comparación con los óxidos.
Igualmente, también se ha contrastado su durabilidad, logrando altos índices de retención de capacidad tras 1.000 y 2.000 ciclos.
Ahora bien, actualmente el foco de esta alternativa se sitúa en superar el desafío técnico asociado a su seguridad. Este reto surge por su alta reactividad al aire y a la humedad, que deriva en la formación de H2S al descomponerse, lo que genera un gas venenoso en altas concentraciones que pone en riesgo a quien use o manipule este tipo de tecnología.
Finalmente, hay otras familias de electrolitos sólidos que también están emergiendo como posibles candidatos y levantando el interés de la comunidad científica internacional: los boratos y haluros.
Los boratos fueron inicialmente desarrollados como combustibles para cohetes y aplicaciones de almacenamiento de hidrógeno. Muestran buena conductividad iónica, aceptable estabilidad frente a la oxidación y reducción, y propiedades mecánicas adecuadas. Su inestabilidad en aire y sobre todo su complicado, poco eficiente y caro proceso de síntesis limita enormemente su potencial de explotación, habiéndose tan sólo demostrado su uso en celdas de laboratorio en muy restringidas ocasiones.
Los haluros, por su parte, son materiales blandos con propiedades de procesabilidad similares a los sulfuros, con alta conductividad iónica y estabilidad electroquímica frente a la oxidación. Sus principales limitaciones son su alta sensibilidad a la humedad, y su incompatibilidad con el Litio metal como ánodo. Se puede considerar que la investigación en haluros está en su fase incipiente, aunque en los últimos años son numerosos los grupos de investigación que han reportado diferentes conceptos de celda basados en haluros con resultados muy prometedores. Con TRLs considerablemente más bajos que en los casos anteriores, su recorrido hacia la comercialización e industrialización es también sensiblemente mayor que en el caso de polímeros, óxidos y sulfuros.
¿POR DÓNDE PASARÁ LA INDUSTRIA EN EL FUTURO?
Como se mencionaba al inicio del texto, las ventajas y retos que tienen por delante cada una de estas alternativas hace que en el futuro se plantee un escenario en el que convivan todas estas soluciones según su uso final y las necesidades de quienes las empleen:
