Las baterías son un componente imprescindible en millones de dispositivos y aparatos electrónicos. Y también son elementales en los vehículos eléctricos, cada vez más demandados. Así que mientras que demos con una fuente de energía ilimitada, tendremos que esforzarnos en buscar baterías más eficientes. Y al parecer, las baterías de litio de estado sólido son firmes candidatas. Pero siempre son mejorables.
Desde China nos llega la noticia de unos investigadores que han dado con una gran mejora para este tipo de baterías. La clave está en el cátodo, o mejor dicho en el material empleado para este componente de la batería. Y, a parecer, en laboratorio, ha mostrado una conductividad mil veces superior a otros materiales empleados como cátodo de baterías tradicionales. Esto mejoraría el rendimiento de la misma, su duración y, lo mejor de todo, su vida útil. Precisamente, el deterioro de la batería es una de las principales causas por las que cambiamos de vehículo eléctrico o de dispositivo electrónico.
Las baterías de litio de estado sólido no son nuevas. Las baterías de litio son, en sí mismas, el estándar en toda clase de aparatos. Tanto es así que hace cinco años, sus inventores fueron premiados con el Nobel de Química de 2019. Pero las capacidades de este tipo de baterías han llegado a su fin. De manera que hace tiempo que se buscan alternativas. Solo en el sector del automóvil, encontramos varios tipos de baterías en función de sus componentes. Níquel, cobalto, aluminio, manganeso…
Por otro lado, las baterías de estado sólido prometen mayor densidad y más capacidad de almacenamiento. El problema está en su producción en masa, su rendimiento y encontrar el material adecuado para que su fabricación sea viable económicamente. Y los investigadores del QIBEBT han dado con uno muy prometedor.
Baterías de litio de estado sólido mucho más eficientes
Investigadores del Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology, por sus siglas QIBEBT, o Instituto de Bioenergía y Tecnología de Bioprocesos de Qingdao, han dado con un nuevo material que potencia las baterías de litio de estado sólido con alta conductividad, alta capacidad de descarga específica, pequeño cambio de volumen, alta densidad de energía y larga vida útil. En comparación con las baterías de litio sólidas anteriores. Este nuevo material de cátodo homogéneo permitirá que las baterías de litio sólidas tengan una mayor seguridad y un rendimiento superior. Curiosamente, todavía no ha sido bautizado. Es decir, que no tiene nombre.
La investigación fue anunciada en la página web oficial del QIBEBT, que forma parte de la Academia China de Ciencias. Y publicada en el medio científico Nature Energy de finales de julio de este año. Los científicos responsables del descubrimiento explican que las baterías de litio de estado sólido suelen emplear cátodos compuestos heterogéneos donde se introducen aditivos conductores para mejorar la conducción mixta.
Estos aditivos electroquímicamente inactivos no son totalmente compatibles con los cátodos de óxido, dispuestos en capas y que sufren un gran cambio de volumen. Esto reduce significativamente la densidad de energía de la batería y su vida útil. Por contra, la solución que han encontrado los científicos del QIBEBT ofrece mayor densidad energética a la vez que una vida útil superior. La combinación perfecta para fabricar baterías de litio de estado sólido más baratas y sostenibles.
La importancia del cátodo homogéneo
Como suele ser habitual en este tipo de investigaciones, se han realizado pruebas reales y cálculos teóricos por ordenador. Los análisis confirman la estabilidad electroquímica y mecánica de los cátodos homogéneos, mostrando que no hay reacciones químicas adversas ni aumentos significativos de la resistencia después de un ciclo prolongado. Otro tipo de baterías, como las baterías de sodio de estado sólido, las baterías de iones de litio, las baterías de litio-azufre, las baterías de iones de sodio y las pilas de combustible, sufren de incompatibilidades mecanoquímicas y electroquímicas. Esto acaba provocando cuellos de botella y degrada el rendimiento general de la batería.
La propuesta del equipo de investigadores, consiste en un cátodo homogéneo mediante el prensado en frío de un material de cátodo de tensión cero con una conducción mixta eficiente a lo largo del proceso de carga y descarga. Su fórmula simplificada es LTG 0.25 PSSe 0.2. Y entre sus características, destaca por su conductividad iónica y electrónica, que garantiza una transmisión de carga eficiente durante la carga y descarga sin necesidad de aditivos conductores. El informe de la investigación habla de más de 20.000 ciclos de carga y descarga de estas baterías de litio de estado sólido. Y una energía específica de 390 Wh kg−1 a nivel de celda.
Un cambio de diseño que lo cambia todo
Según los científicos, la combinación de alta densidad de energía y ciclo de vida extendido abre nuevas posibilidades para el futuro del almacenamiento de energía. Otro elemento importante es que las baterías de litio de estado sólido son escalables. O mejor dicho, se pueden fabricar a gran escala, conectarlas entre sí y, como ocurre en los automóviles o sistemas de almacenamiento, crear una batería de grandes dimensiones a partir de baterías más pequeñas. Algo fácilmente realizable gracias a la estabilidad de las baterías fabricadas con este nuevo material.
Así, según sus responsables, esta nueva generación de baterías podría emplearse en toda clase de dispositivos. Pero, obviamente, los investigadores apuntan más alto. Por ejemplo, vehículos eléctricos o sistemas de almacenamiento de electricidad a gran escala. Precisamente, el almacenamiento de electricidad es uno de los puntos clave para abandonar la dependencia de fuentes de energía contaminantes y emplear únicamente energía hidráulica, solar y eólica.
