Baterías de estado sólido

Por lo general, el funcionamiento de todas las pilas eléctricas es igual. En su composición se necesita de un polo positivo o cátodo, un polo negativo o ánodo y un elemento que sirve para el paso de los electrones de un polo al otro, generando la corriente eléctrica.

En las pilas tradicionales, el elemento de unión que facilita el trasiego de electrones es una solución líquida. Lo que pretende una batería de estadio sólido es precisamente que todo su conjunto sean materiales sólidos, evitando los problemas que causan los ácidos y otras soluciones líquidas empleadas en la actualidad.

Aunque ya hay algunos modelos de baterías de estado sólido, estas se diseñaron para pequeñas aplicaciones y no se ha conseguido escalarlas a tamaños mayores. Esto supone que aplicaciones como la movilidad eléctrica o el almacenamiento eléctrico para parques fotovoltaicos o eólicos aún no es posible.

 ¿Cómo funciona la batería de ion-Litio?

En principio, las llamadas baterías de estado sólido son una evolución de las conocidas baterías de iones de litio. Estas disponen de dos electrodos de metal compuesto, aunque estos están inmersos en un líquido conductos, conocido como electrólito. Estos tres componentes se encapsulan en un recipiente, llamando a todo el conjunto celda.

Estas celdas son capaces de almacenar una determinada cantidad de energía eléctrica. Para escalar esa energía, se unen celdas similares, hasta alcanzar la carga deseada y necesaria para poder ser utilizada en diferentes equipos eléctricos. A la unión de estas celdas se le llama batería.

Las actuales baterías de ion-Litio utilizan como electrolito una sal de litio. Esta contiene los suficientes iones para poder realizar la reacción química reversible, haciendo posible el trasiego de electrones entre el cátodo y el ánodo. Una vez la batería está cargada, puede suministrar su carga eléctrica cuando se conecta a un circuito consumidor. Pero, ¿qué es realmente una batería de estado sólido?

¿Qué es una batería de estado sólido?

La gran novedad de las baterías de estado sólido es que sustituyen la solución líquida que funciona de electrolito para facilitar el paso de electrones de un polo al otro, por un compuesto sólido que sirve de enlace entre el cátodo y el ánodo.

Hasta ahora, el gran problema era que la unión entre dos sólidos no era tan eficaz a la hora de facilitar el tránsito de electrones. Algo que un electrólito líquido si era capaz de realizar con gran eficiencia. Es por ello que los investigadores están trabajando desde hace décadas en mejorar la composición de los electrodos, así como buscando un material que funcione bien como electrólito.

Otro gran problema que se busca solucionar es la degradación de los electrodos. La degradación es relativamente normal con cada ciclo de carga y descarga. Puesto que para almacenar electrones y cedernos se altera la estructura del material y con sucesivos ciclos, el material que forma los electrodos se deteriora. Esta degradación es aún mayor cuando se intenta hacer cargas rápidas.

Por ello, también se trabaja en conseguir la combinación perfecta de materiales que formen tanto en cátodo como el ánodo, de modo que aumenten a capacidad de carga y soporten los continuos ciclos de carga y descarga. Sobre todo, cuando las cargas son rápidas o ultrarrápidas.

Avances en los electrodos negativos para baterías de iones de litio

Las baterías de estado sólido llevan mucho tiempo considerándose una importante fuente de energía para una gran variedad de aplicaciones y, en particular, las baterías de iones de litio se están convirtiendo en la tecnología preferida para la electrónica portátil.

Uno de los mayores retos en el diseño de estas baterías es asegurarse de que los electrodos mantienen su integridad y calidad a lo largo de muchos ciclos de descarga y recarga. Aunque recientemente se han propuesto sistemas de electrodos emergentes, su vida útil está limitada por la aglomeración de aleaciones de litio o el aumento de las capas de pasivación, que impiden la inserción reversible completa de los iones de litio en los electrodos negativos.

El grupo de investigación encabezado por la Doctora en Física Aditi Sengupta, de la California Lutheran University, indica en sus artículos científicos que los electrodos fabricados con nanopartículas de óxidos de metales de transición (XO, donde X es Co, Ni, Cu o Fe) demuestran capacidades electroquímicas de 700 mA h/g, con una retención de la capacidad del 100% durante un máximo de 100 ciclos y altas velocidades de recarga.

El mecanismo de reactividad del litio es diferente de los procesos clásicos de inserción y desinserción del propio litio o de aleaciones de este. Este aspecto está relacionado con la formación y descomposición del óxido de litio (Li₂O), con la reducción y oxidación de nanopartículas metálicas respectivamente, en el rango 1-5 nm.

Así mismo, como explica la Doctora Sengupta, se espera que el uso de nanopartículas de metales de transición para aumentar la reactividad electroquímica superficial conduzca a nuevas mejoras en el rendimiento de las baterías de iones de litio.

Aunque este es solo un estudio sobre el tema, hay otros muchos investigadores que buscan la fórmula mágica que consiga la batería del millón de kilómetros, tal y como prometió Elon Musk, presidente de Tesla.

Beneficios de las baterías de estado sólido

Aunque las investigaciones enfocan en la búsqueda de diferentes combinaciones de materiales y soluciones no similares, el objetivo es el mismo. Según todos los grupos de investigación que buscan diferentes variantes de la batería de estado sólido, promete grandes beneficios, entre los que se destacan:

• Más económicas: Según una publicación de Bloomberg NEF, las baterías de estado sólido reducirían su coste hasta el 40 % de las actuales baterías de ion-Litio. Algo que facilitaría su implantación, tanto en los automóviles, como en las instalaciones de autoconsumo fotovoltaico, o en las grandes huertas solares o parques eólicos.

• Mayor seguridad: Evitar los problemas de las actuales baterías de ion-Litio que se incendian o explotan sin previo aviso.

• Mayor vida útil: Al solucionar el problema de la degradación de los electrodos, se conseguirá que la vida útil sea mayor.

• Mayor capacidad de carga: Este aumento se pretende conseguir al utilizar en el cátodo un metal alcalino. Algo que es posible cuando el electrólito es sólido en vez de líquido, como en las baterías actuales.

• Tiempos de carga menores: Al mejorar los electrodos y salvaguardar su estructura físico-química sería posible realizar cargas de hasta un tercio del tiempo actual, sin la degradación de los polos.

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