1990eko hamarkadan merkaturatu zirenetik, litiozko ioien bateriak (LIB) energia biltegiratzeko sistema nagusitzat hartu dira aplikazio askotan, hala nola elektronika eramangarrian.

Azken hiru hamarkadetan, teknologia pixkanaka garatu da, bere propietateak hobetuz eta, bereziki, praktikan dentsitate energetikoko balio altuagoak bilatuz. Hobekuntza horren ondorioz, mugikortasun eredu iraunkorrago baterako trantsizio global baten beharrarekin batera, LIBak ibilgailu elektrikoentzako aukerarik onena ere izan dira. Hala ere, LIBen garapena muga teorikoetara iristen ari da, eta horrek esan nahi du beharrezkoa dela bateria alternatiboen teknologiak garatzea automobilaren industriaren errendimendu-eskaerei erantzuteko.

Mahai gainean hainbat aukera daude, eta horien artean litio-metal bateriak (LMB) nabarmentzen dira, litio-metal anodoak (LMA) elektrodo negatibo gisa eskaintzen duen dentsitate energetiko grabimetriko eta bolumetriko handiagoagatik.

Hala ere, LMBak ez daude beren mugetatik libre. LMBen balio-bizitza mugatzen duen zelularen funtzionamenduan zehar ohiko elektrolito likidoetan LMAren etengabeko degradazioari buruzko erronkez gain, litio metalikoaren erabilerak segurtasun-arazoak eta prozesatzeko zailtasunak sortzen ditu zelula muntatzean. Zelularen funtzionamendu txarraren edo gertaera termikoaren kasuan, litio metalikoaren presentziak prozesua arriskutsuago egingo luke, 1980ko hamarkadan merkaturatu ondoren LMBak merkatutik kendu zirenean frogatu zen bezala.

Gainera, litio metalikoaren propietate kimiko eta mekanikoek material horren manipulazioa zaila eta garestia izatea eragiten dute.

Beraz, elektrodo negatiboan litio metalikorik gabeko LMBa garatzea, gelaxka mihiztatzen denean, oso desiragarria litzateke fabrikazioaren ikuspegitik, eta etorkizun handikoa merkaturatzearen eta aplikazioaren ikuspegitik. Kontzeptu horri anodorik gabe esaten zaio, eta bateria-komunitatearen arreta erakarri du azkenaldian.

Nola funtziona dezakete pilek anodorik gabe?

LIBetan erabilitako tartekapen-katodo konbentzionalek litio-iturria dute beren egituran zelula mihiztatzen denean. Gauza bera gertatzen da LIBen hurrengo belaunaldietarako garatzen ari diren tartekatze-katodoekin (konfigurazio likidoak eta solidoak barne), horiek ere ohiko aukera baitira LMBentzat.

Salbuespen batzuk egon arren (Li-S edo Li-aire bateriak, adibidez), horrek esan nahi du LMAk litiozko gordailu gehigarri gisa funtzionatzen duela, LMBen funtzionamendu elektrokimikoan izandako eraginkortasunik ezek eragindako litiozko galerak konpentsatzeko. Beraz, eraginkortasuna nabarmen hobetzen bada, litio iturri gehigarri baten beharra ezabatuko litzateke eta, beraz, anodorik gabeko zelulak muntatu eta funtzionaraz litezke bizi-ziklo luze batean.

Anodorik gabeko baterien abantailak

Anodorik gabeko bateriek abantaila ugari eskaintzen dituzte, eta LMBen alternatiba erakargarri bihurtzen dituzte. Lehenik eta behin, IBL saihesteak dentsitate energetiko grabimetriko eta bolumetrikoa maximizatzen du, gelaxkan ez baitago litio gehiegi. Lehen esan bezala, litio-iturria katodoan dago, eta litio metalikoaren geruza in situ uzten da zelulan zikloan kargatzeko prozesuan.

Dentsitate energetikoa optimizatzeaz gain, zelulan litio metaliko gehiegi ez egoteak hobetu egiten du haren segurtasuna. Litio metalikoaren izaera oso sukoia, nolabait, erregai-iturri bat da LMBen funtzionamenduan zehar gertaera termiko bat gertatuz gero. Horrela, litio gehiegi ez dagoenez, anodorik gabeko bateriak LMB konfiguraziorik seguruena dira.

Gainera, fabrikazio-kostua ere izugarri murriztuko litzateke litioaren prezioa gero eta garestiagoa delako. Gainera, prozesatze-kostua ere murriztuko litzateke. Litio metalikoa atmosfera oso kontrolatu eta lehorretan prozesatu behar da, erreaktibitate kimiko handia duelako; litioaren propietate mekanikoek, berriz, manipulazioa zailtzen dute. Izan ere, LMA fabrikatzeko prozesamendu-metodo konplexu eta garestiak behar dira, adibidez, ebaketa mekanikoaren ordez laser bidezko ebaketa.

Azkenik, baina ez horregatik garrantzi gutxiagokoa, deskargatzeko unean LMA formako litiorik ez izateak erraztu egin lezake mota horretako bateriak birziklatzeko prozesua, eta hori kontuan hartu beharreko beste alderdi bat da hurrengo belaunaldiko bateriak garatzeko orduan.

Erronka bat aurretik: korrosioa

Teorian aipatutako onura guztietan oinarritutako aukera ideala izan arren, zailtasun nagusi baten ondorioz, anodorik gabeko LMBen inplementazio arrakastatsua oso desafiatzailea da: litioaren etengabeko korrosioa gelaxkaren funtzionamenduan zehar, litio aktiboko materialaren galera itzulezinera eramaten duena; bestela esanda, bere eraginkortasun koulonbiko baxuak (CE).

CE baxua litioak egungo elektrolito likidoekin duen erreaktibotasunari zor zaio. Erreaktibotasun hori litioaren nukleazioak eta hazkunde ez-homogeneoak indartzen dute, eta, ondorioz, gainazal handiko deposizio-morfologia bat sortzen da, alboetako erreakzioen ondorio kaltegarriak anplifikatzen dituena. Gainera, litioa biboteen bidez ere haz daiteke (edo dendriten bidez, korronte-dentsitatearen atalase batetik gora), bereizgailua zulatuz eta zirkuitulabur bat eraginez.

Degradazio-muga horiek gainditzeko eta % 100 inguruko CE balioak lortzeko, gaur egun ahalegin handiak egiten ari dira egungo interfaze kolektore-elektrolitoa aztertzeko, interfase egonkorrak lortzeko helburuarekin.

Ildo horretan, litio metalikoarekin bateragarriak diren elektrolito solidoak garatuz gero, kimikoki egonkorra den interfasea sortuko litzateke, litio metalikoaren etengabeko erreaktibotasuna eta degradazioa saihesteko, zelularen etengabeko degradazioa saihestuz.

Gainera, ondo diseinatutako elektrolito solido batek litio metalikoa elektrolito solidoaren geruzaren bidez haztea eragotziko luke, zirkuitulabur bat izateko arriskua saihestuz. Beraz, anodorik gabeko egoera solidoko bateriek (ASSB) beren homologo likidoen degradazio-mugak gainditu eta segurtasuna are gehiago handituko lukete.

Ildo horretan, CIC energiGUNEn bi ikerketa-lerro daude elektrolito solido mota horiek garatzeko, oinarri polimerikoko elektrolitoetan eta zeramikan zentratuta, hurrenez hurren. Lehen aipatu bezala, fasearteak eta fasearteak aztertzea funtsezkoa da ASSB eraginkorrak garatzeko. CIC energiGUNEn, Azalerak Aztertzeko Unitatean eskuragarri dauden azken belaunaldiko karakterizazio-teknika batzuk baliatzen ditugu. Horretarako, arreta-gune nagusietako bat SEIren izaera eta mekanismoak saihestea da, baita ASSBentzat ere.

Laburbilduz, ASSBak dira LIBren egungo mugak gainditzeko aukerarik egokiena. Dentsitate energetiko grabimetriko eta bolumetriko handiagoa eskaintzeaz gain, seguruagoak, fabrikatzeko errazagoak eta kostu txikiagokoak izango lirateke.

Hala ere, teknologia hori merkaturatzeko, beharrezkoa da CE handiagoak lortzea, eta horrek zikloaren iraupen luzeagoa ekarriko luke. CIC energiGUNEn elektrolito solidoak eta interfase egonkorrak garatzen lan egiten dugu, ASSBaren arrakasta LIB teknologiatik haratago eramateko.