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Si bien es cierto que cada vez aparecen modelos de coches eléctricos muy competitivos, porque la movilidad eléctrica sea una realidad, las autonomías que ofrecen los vehículos eléctricos deberían ser aún mayores.
Precisamente la innovación en el desarrollo de baterías será clave en la popularización de los coches eléctricos. Se trata de una meta que persigue la Unión Europea en su agenda para cumplir sus objetivos de descarbonización en 2050. Varios informes estiman que, a partir de 2030, sólo se deberían vender este tipo de automóviles en el territorio comunitario por poder limitar el calentamiento global 1,5 ºC.
El coste de las baterías de los coches eléctricos supone un tercio del precio final del vehículo y, además, las actuales son inestables, pierden propiedades con el paso del tiempo y son difícilmente reciclables.
La evolución de las baterías ha transcurrido en dos sentidos: aumentar su capacidad y hacerlo intentando contener al máximo su peso para optimizar el uso de la energía. Un desarrollo que, en el caso de las baterías de los coches eléctricos, tiene un nombre: iones de litio. De hecho, es la tecnología predominante en estos automóviles, aunque ya se empieza a hablar de baterías de estado sólido, que podrían llegar a proporcionar aún más autonomía y tiempo de recarga sensiblemente inferiores
De hecho, estas últimas son una evolución de las primeras, que utilizan una tecnología que ya casi no nos deja margen para continuar desarrollando sus prestaciones. El litio sigue siendo el elemento químico central en las baterías que propone, sin embargo, a diferencia de las baterías de iones de litio que utilizamos masivamente hoy día, utiliza un electrolito en estado sólido, y no en estado líquido, la materia conductora entre el ánodo o polo positivo y el cátodo o polo negativo es una materia sólida. De entrada puede no parecer gran cosa, pero este cambio desencadena unas ventajas enormes que, sobre el papel, marcarán la diferencia en el mercado de las baterías.
Las actuales baterías de ión litio
Por un lado, la batería de iones de litio está formada por dos electrodos; el cátodo y el ánodo, que están divididos por un separador, integrados en una celda e inmersos en el electrolito, un líquido conductor que hace reaccionar de forma química los iones necesarios entre los electrodos. Y la combinación de múltiples celdas forma la batería.
Pues bien, cuando arrancamos nuestro vehículo se activan estas reacciones químicas que ponen en marcha la circulación de iones entre electrodos, produciendo así electrones, traspasándose a los bornes de la batería y generando energía. Y cuando recargamos la batería, las partículas circulan en la dirección contraria y se produce el efecto inverso.
Como ya sabemos, estas baterías tienen una vida útil limitada de entre 8 y 10 años, lo que equivale a unos 3.000 ciclos de recarga cumplidos. Esto se debe a que las baterías de iones de litio, con el tiempo, es decir con los ciclos de vida (carga y descarga), el litio líquido se va solidificando comiendo de paso el separador entre el ánodo y el cátodo creando dendritas . Estas dendritas provocarán una caída de las prestaciones de la batería y en los casos extremos provocar un sobrecalentamiento, un corto circuito e incluso una explosión.
En comparación con las baterías tradicionales de litio, la diferencia de batería de litio sólido se encuentra en el electrolito sólido, que tiene algunas ventajas en la teoría
- Alto rendimiento de seguridad: El electrolito líquido contiene una solución orgánica inflamable, es fácil quemar y explotar cuando la temperatura del cortocircuito aumenta bruscamente, por lo que hay que instalar la estructura del dispositivo de seguridad de aumento anti-temperatura y anti-cortocircuito. Y el electrolito sólido es no inflamable, no corrosivo, no volátil, sin problema de fugas, también supera el problema de la dendrita de litio, por lo que la batería de estado sólido tiene una seguridad muy alta.
- Alta densidad energética Utilizar un compuesto sólido en las celdas permite disponer de una densidad energética mayor, lo que se traduce en una capacidad mayor de almacenamiento de energía. Este tipo de baterías serían capaces de almacenar hasta tres e incluso cinco veces más energía que sus equivalentes baterías de ión de litio. Por lo tanto, esto significa que permiten autonomías muy superiores.
- La masa es relativamente ligera: El punto central es que no es necesario utilizar electrodos negativos de grafito intercalados por litio, sino utilizar directamente el litio metálico como electrodo negativo, lo que puede reducir significativamente el material de electrodos negativo La cantidad de energía puede aumentar significativamente la densidad energética de toda la batería.
La segunda ventaja es delgado. En las baterías tradicionales de iones de litio se requieren separadores y electrolitos, que juntos representan casi el 40% del volumen de la batería y el 25% de su masa. Y si son sustituidos por electrolitos sólidos (principalmente materiales cerámicos orgánicos e inorgánicos), la distancia entre los electrodos positivos y negativos (tradicionalmente llenos de electrolito de diafragma, ahora llenos de electrolitos sólidos) se puede acortar hasta varias veces una docena de micrómetros, por lo que el grueso de la batería se puede reducir enormemente, por lo que la tecnología de baterías de todo el estado sólido es la única manera de miniaturizar y fina baterías.
- Buen rendimiento del ciclo El electrolito sólido resuelve el problema de la película de interfaz de electrolitos sólidos formada por electrolitos líquidos durante la carga y descarga y el fenómeno de la dendrita de litio, que mejora en gran medida la circularidad y la vida útil de las baterías de litio. También reducen el drenaje pasivo (la descarga de la batería cuando no es utilizada).
- Precio de coste más económico - reducción del precio Al sustituir el electrolito líquido, volátil, inflamable y corrosivo, por un polímetro plástico que puede funcionar a temperatura ambiente, se reducen los costes de producción. Permite prescindir de muchos de los sistemas de seguridad que requieren las baterías actuales, por lo que se abaratan los costes.
También eliminan el sistema de enfriamiento y el sistema de contención de líquidos, lo que simplifica el diseño de las celdas, los módulos y el paquete completo de batería. Esta simplicidad facilita la automatización del proceso de producción de manera que todas las celdas se pueden fabricar a escala comercial
El futuro de esta tecnología?
Un estudio del MIT trabaja también con el diseño de un ánodo de metal hecho de litio puro.
Más de un fabricante ya ha comenzado a apostar por este tipo de tecnología e incluso en desarrollar su propia patente, como John B. Goodenough y Samsung. Toyota, Porsche, BMW, Fisker, Hyundai, General Motors, Honda, Nissan, Daimler y Volkswagen son ejemplos de marcas que ya están invirtiendo en su desarrollo.
Un fabricante taiwanés de baterías anunció en un certamen un acuerdo con diferentes fabricantes de automóviles para instalar las nuevas baterías de estado sólido de alto voltaje con electrolito cerámico (basadas en la técnica MAB, Multi Axis bipolar +) en sus coches eléctricos
Hay quien apunta que el futuro de la batería de estado sólido será utilizando silicio en vez de cristal, otros que lo más prometedor es utilizar vidrio a base de sodio (sal), por ser un material muy común en la tierra y de bajo impacto medioambiental.
El electrolito sólido es una de las direcciones futuras de la tecnología de la batería. Aunque todavía hay un largo camino por recorrer en términos de materiales electrolitos, coste y tecnología, más empresas de la industria de la batería seguramente invertirán en él delante de su enorme espacio de valor comercial. Con el desarrollo de la tecnología, el ritmo de industrialización de baterías de estado sólido será más cercano a nosotros.
Las pilas de estado sólido son la tecnología de baterías de última generación que es la más cercana a las aplicaciones comerciales, y aportará nuevas explosiones y garantías técnicas clave para la nueva industria energética en el futuro.