Las baterías de estado sólido ya están aquí y van a cambiar nuestra forma de vida

Las nuevas pilas de litio pueden durar 25 años, cargar un vehículo eléctrico en minutos y no pueden incendiarse. Solid Power ha producido sus primeras celdas de batería de metal de litio de tamaño completo.

La tecnología, en teoría, parecía demasiado buena para ser cierta: un aumento de 10 veces la potencia (o una reducción de 10 veces el tamaño) respecto a las pilas de iones de litio tradicionales.

Solid Power aspiraba a resultados más modestas en sus primeros prototipos, pero aun así espera una mejora del 80% en un futuro próximo.

La pila de iones de litio que Solid Power espera dejar obsoleta era ya una maravilla moderna que hizo que sus principales investigadores recibieran el Premio Nobel.

Las anteriores pilas de litio-yodo de la década de 1970 duraban años más que las pilas alcalinas AA, AAA o D, gracias a la inigualable densidad energética del material.

Fueron, por ejemplo, una ayuda para los pacientes con marcapasos, que ahora podían contar con una pila durante 10 años en lugar de dos. Pero el mayor impacto del litio en las pilas se produjo con las baterías recargables de iones de litio en la década de 1990 para la electrónica portátil y los coches eléctricos.

El litio ha sido el centro de la investigación sobre baterías durante décadas porque es un excelente conductor. Al igual que los demás metales alcalinos situados en el extremo izquierdo de la tabla periódica, el litio tiene un único electrón exterior que cede con facilidad, afirma el doctor Jeff Sakamoto, profesor de ingeniería mecánica de la Universidad de Michigan especializado en la investigación de baterías de estado sólido. «Eso crea un voltaje realmente alto», explica. Y en comparación con otros álcalis, como el potasio o el sodio, el litio tiene el menor número de iones y el tercer peso atómico más bajo de la tabla periódica, lo que significa más electrones y carga para un tamaño de batería determinado.

La densidad energética de las pilas de iones de litio es hasta cuatro veces mayor que la de las de níquel-cadmio a las que han sustituido en gran medida. Las actuales baterías de iones de litio usan un electrolito líquido en el que los iones fluyen de un lado a otro entre el ánodo y el cátodo, recargando y descargando electrones. El cátodo (electrodo positivo) es un compuesto de litio, y el ánodo (electrodo negativo), que determina el almacenamiento total, es de grafito. Este material es abundante, conduce bien y es fácil de trabajar. Sin embargo, la capacidad del litio metálico es 10 veces superior a la del grafito.

«PODRÍAMOS REAJUSTAR NUESTRAS EXPECTATIVAS SOBRE LA VIDA DE LAS BATERÍAS. PODRÍA SER DE HASTA 25 AÑOS O INCLUSO MEDIO SIGLO».

«El litio metálico es el material de mayor capacidad que conocemos», afirma el doctor Jun Liu, director del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico, en Richland (Washington). Allí, Liu dirige un consorcio que busca el santo grial de las baterías para vehículos eléctricos: ligeras, de carga rápida y resistentes a la corrosión. Cree que lo han encontrado en los recientes avances del metal de litio.

Para aprovechar el potencial del litio, los investigadores llevan décadas trabajando para superar los numerosos inconvenientes del metal. El principal, según Liu, es su reactividad. «La dificultad es que el litio metálico es demasiado reactivo. Se le puede considerar corrosivo: si entra en contacto con algo, lo corroe todo».

La principal forma de corrosión del litio en las baterías son las dendritas, que son estructuras de litio ramificadas que crecen desde el ánodo. Las dendritas, que también son un problema para las baterías de iones de litio, pueden perforar las piezas de la batería y provocar un cortocircuito. En una batería tradicional de iones de litio con electrolito líquido, eso puede provocar un incendio. El electrolito líquido es un disolvente inflamable a punto de encenderse: es el combustible que está detrás de los incendios de baterías en los aviones que han sido noticia recientemente.

Los científicos acabaron dando con una solución que impedía el crecimiento de las dendritas y eliminaba el riesgo de incendio: un electrolito sólido, a menudo hecho de una cerámica similar a un semiconductor, que reemplaza al electrolito líquido inflamable y bloquea físicamente el crecimiento de las dendritas. Y si las dendritas aún consiguen atravesar el electrolito cerámico, no hay reactividad inflamable.

Los electrolitos sólidos presentan retos adicionales. Deben igualar el sellado relativamente fácil entre un electrolito líquido y el cátodo y el ánodo: el líquido simplemente se forma alrededor de ellos. El litio es, al menos, maleable a temperatura ambiente y se puede presionar en las superficies escarpadas de un material, pero sigue existiendo la conexión con el cátodo. Y la naturaleza frágil de la cerámica, que da lugar a grietas favorables a la dendrita, plantea dificultades adicionales de fabricación que empresas como Solid Power han tenido que resolver.

El siguiente obstáculo fundamental es la capacidad de recarga, dice el doctor Neil Dasgupta, profesor de ingeniería mecánica de la Universidad de Michigan que estudia las baterías de metal-litio de estado sólido con Sakamoto. Las baterías de iones de litio cumplen la norma industrial de cargarse más de 1.000 veces antes de degradarse de forma significativa, afirma. «Si enchufas tu teléfono cinco veces a la semana durante cuatro años, ya lo has cargado más de mil veces». Solid Power no quiere revelar cuántos ciclos pueden alcanzar sus prototipos actuales, pero Will McKenna, director de comunicaciones de la empresa, dice que siguen esforzándose por superar el listón de los 1.000 ciclos.

Gran parte de la investigación sobre las baterías de litio-metal se centra en el número de ciclos de carga que pueden soportar. Un equipo de la Universidad de Harvard fue noticia en mayo de 2021 al publicar que su célula de metal-litio mantenía la carga durante unos sorprendentes 10.000 ciclos.

Con 10.000 ciclos, podríamos reajustar nuestras expectativas sobre la vida útil de las baterías, dice el doctor Xin Li, uno de los investigadores de Harvard responsables de la batería. «[Podría] llegar a durar 25 años o incluso medio siglo».

ESTA NUEVA TECNOLOGÍA PODRÍA SIGNIFICAR RECARGAR UN COCHE EN EL MISMO TIEMPO QUE SE NECESITA PARA LLENAR UN DEPÓSITO DE GASOLINA».

Sin embargo, la batería de Harvard es una versión de una pila tipo moneda, como la de un reloj o la de un audífono. Y es probable que estas proporciones no sean las mismas para la mayoría de las aplicaciones comerciales en el futuro, donde las baterías serán mucho más grandes y gruesas, y tendrán diferentes proporciones de materiales.

Sin embargo, los resultados de Harvard son aún más impresionantes. Su célula de batería de litio-metal fue capaz de recargarse en sólo tres minutos. Si esta tecnología puede llegar a los vehículos eléctricos, eso significaría poder recargar un coche en el mismo tiempo (o menos) que se necesita para llenar un depósito de gasolina. Actualmente, la mayoría de los vehículos eléctricos necesitan al menos tres horas para recargarse.

El mundo vio por primera vez un vehículo eléctrico de batería sólida en los Juegos Olímpicos de Tokio, donde Toyota, en colaboración con Panasonic, equipó una flota de sus coches de diseño LQ. Los LQ, con forma de burbuja, pudieron verse tras los maratones masculino y femenino, e incluso protagonizaron anuncios publicitarios de los Juegos Olímpicos.

Estas demostraciones son fascinantes, a pesar de que Toyota no ha dado más detalles sobre las baterías del LQ, pero aún faltan años para que una batería de litio-metal llegue a los concesionarios. El director general de Solid Power, Doug Campbell, afirma que aún faltan cinco años para que sus baterías lleguen a los vehículos de consumo: BMW y Ford han firmado como socios. El objetivo actual de la empresa es una batería que tenga casi el doble de densidad energética que las actuales baterías para automóviles y que se cargue al 90% en sólo 10 minutos. La empresa, añade, va años por delante de la mayoría de sus rivales, gracias a su investigación sobre la adaptación de la tecnología de fabricación de iones de litio existente.

«La mayoría de los demás grupos, con la excepción de algunos gigantes con sede en Asia, siguen enfrascados en esa fase de investigación y desarrollo», afirma Campbell. Toyota, por ejemplo, dice que su batería de estado sólido llegará probablemente en 2025, sin incluir ningún coche. Sakamoto dirige una startup de baterías de estado sólido, además de su trabajo en la Universidad de Michigan, y dice que el reciente impulso al desarrollo de baterías de metal de litio surgió después de que los vehículos eléctricos fueran viables y tuvieran demanda. «Me sorprende la rapidez con la que se encendió la luz y esta avalancha de apoyo financiero e interés por las baterías de estado sólido», afirma. «Todavía no hay ningún producto comercial, pero hay toda esta inversión».

El impulso a las baterías de estado sólido puede darnos un mundo en el que los vehículos eléctricos se recarguen en minutos y las baterías de los marcapasos duren medio siglo. Sólo queda la cuestión de cuándo llegaremos a ello.

CÓMO FUNCIONAN LAS BATERÍAS DE IONES DE LITIO

Las baterías de iones de litio funcionan según los mismos principios, independientemente de sus materiales. Para alimentar un dispositivo, los iones de litio viajan desde el ánodo (negativo) a través del electrolito hasta el cátodo (positivo), descargando electrones. Para recargarse, reciben un electrón y vuelven al ánodo. Una batería tradicional de iones de litio usa un electrolito líquido con un separador entre los electrodos para evitar cortocircuitos y permitir el paso de los iones. (Colin Mcsherry).

Fte. Popular Mechanics