La evolución de los vehículos eléctricos es un paso crucial en la búsqueda de una movilidad más sostenible. Las baterías de ion-litio, aunque predominantes en la propulsión de estos automóviles, presentan limitaciones en términos de seguridad, capacidad de almacenamiento y coste.
En este contexto surgen las baterías de estado sólido como una solución prometedora que podría ayudar significativamente en el avance de la movilidad sostenible. En estas baterías, el electrolito, es decir, el medio a base de litio que permite el transporte de iones entre los electrodos, es sólido en lugar de líquido.
Ventajas de un electrolito sólido
Las baterías de ion-litio de nuestros teléfonos móviles presentan un separador poroso entre los electrodos, inmerso en un electrolito líquido que evita el paso de los electrones por la propia batería y permite así el flujo de iones. Este electrolito es inflamable y cuando se calienta demasiado la batería puede deformarse e incluso explotar.
Estos riesgos se reducen considerablemente con el uso de materiales sólidos, que presentan una mayor seguridad y estabilidad térmica que los electrolitos líquidos, volátiles e inflamables.
Desde hace cinco años se vienen desarrollando diversos materiales de electrolitos sólidos, incluyendo polímeros, compuestos inorgánicos y mezclas de ambos, que podrían resultar funcionales para esta aplicación.
En general, se ha encontrado que estos materiales ofrecen una mayor tolerancia a cambios de temperatura, a daños físicos y a condiciones de sobrecarga, lo que abre el camino a la obtención de baterías más duraderas y fiables.
Esquema de una batería de estado sólido que muestra el ánodo (gris), el cátodo (naranja) y el electrolito de estado sólido (verde). Luca Bertoli / Wikimedia Commons, CC BY-SA
Pero ¿son todo ventajas? La realidad es que no. Insertar un electrolito sólido en una batería y que este funcione no es un proceso sencillo y conlleva varios problemas a resolver.
Una desventaja fundamental, crucial para la automoción eléctrica, es que tienen menos conductividad iónica frente a los líquidos, lo que ralentiza el movimiento de los iones y reduce la potencia de la batería, incrementando a su vez el tiempo de recarga.
Baterías de litio metálico
A pesar de todo esto, lo interesante es que el electrolito sólido permite usar litio metálico en lugar de grafito en las baterías, aumentando así la capacidad de almacenamiento y reduciendo su peso.
Aunque el uso de litio metálico como electrodo fue descartado inicialmente en los años 90 en el desarrollo de las baterías de ion-litio por problemas de explosiones, los avances recientes en el campo de los electrolitos sólidos han reabierto la posibilidad de fabricar baterías en las que el litio metálico se protege ubicándolo pegado a una película de electrolito de estado sólido.
El principal desafío para el uso del litio metálico es evitar la formación de unas ‘agujas’ metálicas de litio llamadas dendritas, que pueden perforar el electrolito y causar cortocircuitos.
Las dendritas crecen como filamentos metálicos sobre los electrodos de las baterías de litio a medida que cargan y se descargan y causan importantes problemas como cortocircuitos, calentamientos indeseables e incluso incendios. Zhang Lab/Penn State, CC BY-SA Por esta razón, el electrolito sólido debe tener una resistencia mecánica lo bastante buena como para que una capa de unos pocos micrómetros de espesor resista la penetración de las dendritas durante miles de ciclos de carga y descarga.
Al mismo tiempo debe ser flexible, porque se van a producir grandes cambios de volumen en la celda. Literalmente, en cada ciclo de descarga todo el litio se transfiere completamente de un electrodo al otro.
Desafíos para su desarrollo
Con la combinación de litio metálico y estado sólido parece que se alcanza la solución más funcional posible, pero para abordar su desarrollo hay que enfrentar estos desafíos y otros relacionados con la baja conductividad iónica de este tipo de materiales.
Otros aspectos cruciales tienen que ver con la estabilidad del material, pues resulta difícil encontrar compuestos que no reaccionen con el litio metálico, debido a su tendencia a combinarse con casi cualquier cosa. Además, el material sólido debe ser capaz de “humedecerse” o adherirse bien tanto al litio como al material del otro electrodo.
Por si todo esto no resulta suficientemente complicado, conviene que el electrolito sólido sea barato. Un añadido extra sería poder emplear los actuales procesos de fabricación de baterías sin grandes modificaciones.
Por todas estas razones el desarrollo de este tipo de baterías no parece sencillo. A diferencia de las baterías de sodio, que se basan en principios similares a las de litio, las baterías de estado sólido enfrentan numerosos desafíos para ser viables. Por eso, aunque llevan décadas en desarrollo, aún no se ven listas para su comercialización.
La carrera por su comercialización
Pese a ello, empresas como Volkswagen (con QuantumScape) y BMW (con Solid Power) están invirtiendo grandes sumas económicas para superar los obstáculos técnicos. China, con SAIC Motor, espera producir baterías de estado sólido en 2026. Toyota, con más de mil patentes, ha retrasado constantemente su lanzamiento, ahora previsto para 2030. Nissan aspira a adelantarse, apuntando a 2028. Stellantis y el Grupo Volkswagen anuncian sus desarrollos para 2030.
A pesar de estos esfuerzos, los expertos son escépticos respecto a las prestaciones de estas baterías en el corto plazo. En realidad, las predicciones más optimistas sitúan su llegada al mercado en 2027, pero la mayoría considera que la adopción masiva ocurrirá pasado el 2030.
En cualquier caso, la historia de las baterías está llena de largos caminos hacia su implantación masiva. En la década de 1970, los científicos John Goodenough, Stanley Whittingham y Akira Yoshino desarrollaron cada uno por su cuenta componentes clave de los fundamentos del ion-litio. Sin embargo, no fue hasta la década de los 2000 cuando estas baterías se convirtieron en algo global.
Autoría: Enrique García-Quismondo Hernáiz, Investigador en energías renovables, IMDEA ENERGÍA
Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.
