Baterías de estado sólido: ¿la solución para la movilidad eléctrica?

En principio, esto no tendría que suponer un problema, sino fuese porque Europa ha puesto fecha de caducidad a los motores de combustión interna para 2035. Con una hoja de ruta planeada, a los fabricantes no les va a quedar otra que acelerar el proceso de electrificación de sus coches, lo que pasa, necesariamente, por mejorar, entre otras cosas, la autonomía y rendimiento de las baterías actuales ¿Cómo? Pues un primer paso interesante puede ser las baterías en estado sólido.

NACIMIENTO DE LAS BATERÍAS DE ESTADO SÓLIDO

Éstas son una evolución de las de iones de litio y debemos su principal desarrollo a John B. Goodenough (Austin-Texas), el considerado como padre de este tipo de sistemas de acumulación de energía eléctrica. A sus 94 años, sigue al frente de un equipo de trabajo que está centrado en que este tipo de tecnología sea una realidad práctica. Pero para entender cómo funciona, es necesario realizar una aproximación previa a cómo es su predecesora.

Una batería de iones de litio se compone de dos electrodos de metal (o de material compuesto), actuando uno como cátodo y el otro como ánodo, ambos inmersos en un líquido que actúa como conductor y que se conoce como electrolito. Éste suele emplear una sal de litio que consigue los iones necesarios para la reacción química reversible que tiene lugar entre el cátodo y el ánodo. Estas tres partes juntas forman lo que se conoce como celda y, a la unión de varias celdas contenidas dentro de un recipiente, se le conoce como batería.

Cuando la batería está cargada y se conecta un aparato al que administrar energía, por ejemplo al arrancar el coche, el circuito eléctrico del conjunto se cierra. Esto activa una reacción química que provoca la circulación de partículas ionizadas de un electrodo a otro, arrastrando la producción de electrones a los bornes de la batería, es decir, “liberando” la energía. Y si luego se conecta un cargador a los bornes de la batería, se produce un proceso químico inverso: las partículas circulan en la otra dirección y la batería se recarga.

Pues bien, una batería en estado sólido tiene el mismo principio de funcionamiento básico pero el electrolito pasa de ser un elemento líquido a uno sólido. En el caso de las investigaciones del equipo del profesor John Goodenough, este componente está formado de una serie de electrolito sólido de cristal, mientras que otros laboratorios trabajan en nanohilos de oro envueltos en manganeso inmersos a su vez en un gel. Hay que recordar que el oro es uno de los mejores elementos para transportar energía eléctrica.

¿QUÉ TIENE DE BUENO?

Veamos: en las baterías de iones de litio de los coches actuales, los ciclos de uso (carga y descarga) van mermando poco a poco la “vida” de la batería, ya que el litio líquido se va solidificando. Esta reacción química va comiendo el separador entre ánodo y cátodo creando lo que se conocen como dendritas (o cavidades). Éstas provocan una caída de las prestaciones de la batería y, en casos extremos, un sobrecalentamiento, un corto circuito e incluso una explosión.

En teoría, el uso de un componente sólido elimina este problema, además de permitir contener más celdas en el mismo espacio, ya que este elemento ocupa menos espacio. En el caso del equipo de John Goodenough, ellos emplean un electrolito sólido de cristal, lo que les permite usar un ánodo de metal alcalino (en el lado negativo). El empleo de este material incrementa la densidad de carga de la batería (es capaz de almacenar más energía que una de iones de litio de mismo tamaño) además de prevenir la formación de dendritas. Otro punto fuerte de este material es que es capaz de mantenerse estable, sin perder propiedades, hasta -20ºC. Hay que pensar que parte de Europa alcanza estas temperaturas, por lo que es importante sacar el máximo partido a las baterías en invierno.

Por tanto, una batería de estado sólido aporta:

• Más autonomía: Es capaz de almacenar tres veces más energía que una batería de iones de litio.
• Tiempos de recarga más cortos: Ya que es posible completar un ciclo en menos de una hora de duración.
• Mayo seguridad: En caso de accidente, no corremos el riesgo de incendio, como sí sucede con las de iones de litio.
• Prevención en la formación de dentritas: Esto permite alargar la vida útil.
• Menor precio: El uso de un electrolito a base de cristal facilita la fabricación en serie de estas baterías, rebajando su coste.

¿PROBLEMAS DE ESTE SISTEMA?

Según un grupo de investigadores de la Universidad de Michigan, en Estados Unidos, ha enumerado las principales cuestiones que hay que resolver para que esta tecnología sea una realidad cotidiana, algunas de ellas relacionadas con la cerámica que es necesario para poder fabricarlas.

• Hojas finas de cerámica: La tecnología que tenemos actualmente está trabajando en poder realizar placas lo suficientemente finas como para poder emplearse en estas baterías.
• Coste medioambiental: Para producir estas placas de cerámica es necesaria una gran cantidad de energía, ya que la reacción para consolidad su estado requiere de una temperatura no inferior a  1.093 grados centígrados.
• Coste real de fabricación: Uno de los pilares básicos sobre los que se sustenta la batería en estado sólida es la rentabilidad. El problema es saber si el proceso utilizado para fabricarla es sostenible para fabricantes de baterías y automóviles sin renovar por completo sus instalaciones. Por otro lado, el metal de litio necesita estar en contacto constante con el electrolito cerámico, lo que significa que se necesita hardware adicional específico.
• Coste en ingeniería ya invertida: Las baterías de estado sólido de metal de litio no requieren del pesado y voluminoso sistema de gestión de las actuales de litio para mantener la durabilidad y reducir el riesgo de incendio. ¿Cómo afectará esta reducción de masa y volumen a la hora de fabricar o adaptar modelos a esta tecnología?

¿CUÁNDO SE APLICARÁ ESTA TECNOLOGÍA?

Samsung estima que en dos años, como máximo, comercializará sus primeros terminales con este tipo de batería. La razón principal es que ofrecen mayor seguridad ya que no pueden incendiarse o explotar, algo que sí sucede con una batería de iones de litio “clásica”. Toyota estima que 2022 ó 2023 puede ser la fecha de su primer coche eléctrico con batería de estado sólido, con la vista puesta en incrementar la autonomía actual de este tipo de coches y reducir los tiempos de carga. En lo que respecta al fabricante alemán Volkswagen, ha invertido 200 millones de dólares más en el fabricante de baterías estadounidense QuantumScape. El objetivo es acelerar el proceso para la producción industrial de este tipo de baterías y su aplicación en vehículos eléctricos.

Algo más cercano al presente lo encontramos en la ciudad alemana de Wiesbaden, por cuyas calles ya podemos encontrar una flota de 40 autobuses con estas baterías. Se trata de Mercedes-Benz eCitaro que han sido ofrecidos directamente por la marca alemana y tienen 441 kilovatios hora de capacidad. Estas baterías son producidas por la empresa francesa Blue Solutions. Los autobuses son consumidores puros de energía ya que se encuentran en constante movimiento. Este hecho, unido a una circulación 100% urbana, en la que el sistema de frenada regenerativa puede trabajar de manera óptima, sirve como laboratorio para conocer las opciones reales de implementación de esta tecnología.

CONCLUSIÓN

Si este tipo de tecnología cumple con los parámetros prometidos de mayor autonomía, velocidad de carga superior, mayor seguridad y un menor coste de fabricación y adquisición, es posible que consiga doblegar al motor de combustión interna.