Los buenos resultados en la investigación sobre baterías con electrolito sólido de la Universidad de Colorado han dado como fruto la creación de una empresa, Solid Power, que llevará al mercado de los vehículos eléctricos este prometedor tipo de baterías.
El electrolito sólido implica seguridad y una mayor estabilidad, pero sobre todo permitirá lograr mayores densidades energéticas y consecuentemente una bajada de precios, dos puntos esenciales para la proliferación del coche eléctrico en nuestras ciudades. Solid Power asegura que con sus baterías triplicará el rango de acción de los coches eléctricos actuales.
Los avances en la investigación de baterías siguen buscando un sucesor para las actuales pilas de ion litio que por su alto precio y baja energía específica son aún incapaces de satisfacer los exigentes requisitos del mercado de coches eléctricos. Preocupa también la seguridad y durabilidad de las baterías de ion litio convencionales, que utilizan como electrolito un líquido orgánico. Además de cierto riesgo de explosión por ser este líquido inflamable, el electrolito promueve reacciones no deseadas a temperaturas relativamente bajas que degradan considerablemente el rendimiento de las baterías con el tiempo.
Continuamente nos encontramos ante nuevos avances que auguran mayores densidades y un mejor rendimiento, pero son pocos los que llegan al mercado y lo hacen con ciertas limitaciones o con promesas que no acaban de materializarse. Véase el caso de Oxys Energy con sus baterías de litio-azufre o Envia systems con baterías de ion litio y ánodo de C-Si, de los que no hay novedades desde hace más de 1 año.
El uso de un electrolito sólido convierte a las baterías en seguras per se, al no incluir en su fórmula materiales inflamables, otorgándoles mayor estabilidad a temperaturas altas y una vida más larga. Permite además el uso de materiales con capacidades mayores, como azufre o una variedad de sulfuros o el uso de litio metálico, que otorgarían a las nuevas baterías una energía específica mayor, dando paso a coches eléctricos con una autonomía atractiva y precios más competitivos.
Sin embargo, debido a la menor conductividad del material cristalino, las baterías de electrolito sólido requieren de una gran cantidad de material pasivo, que no participa en la reacción química, para mejorar su inherente bajo transporte de cargas. Cuanto más material pasivo se añade más baja la energía específica de la celda. Este punto se está mejorando en los últimos años con nuevos compuestos y sistemas de procesado específicos.
Ya que la compañía no especifica la química de sus prometedoras baterías en su página web, hemos recurrido a la patente, actualizada el pasado día 12 de septiembre, y a una de las últimas publicaciones del grupo del profesor SeHee Lee en Journal of The Electrochemical Society que coincide con la descripción en licencia para descubrir cuál es el secreto de su gran capacidad. Según estas, Solid Power utilizado en sus baterías un cátodo de hierro y sulfuro de hierro junto con un electrolito cristalino de sulfuro de litio y sulfuro de fósforo (V) (77.5 Li2S : 22.5 P2S5) y un ánodo de litio metálico.
Lo interesante de esta configuración es que el sulfuro de litio del electrolito también va a participar en las reacciones redox que determinan la capacidad de la pila. Una química compleja, ya que evoluciona durante los primeros 150 ciclos dando lugar a diferente voltajes dependiendo de los productos formados. Así, en la primera descarga el sulfuro de hierro se reduce a hierro metálico, y en la carga vuelven a formase sulfuros de hierro. Pero en los sucesivos ciclos el hierro se vuelve inactivo y a partir del ciclo 60 la química de la batería se estabiliza como una reacción de oxidación y reducción principalmente del azufre.
La desativación del hierro supone una pérdida de capacidad global de la pila, pero estabiliza los procesos relacionados con el azufre al mejorar la conductividad del conjunto. Su presencia, junto con el proceso de molido por molino de bolas de los diferentes componentes son los principales responsables de su gran rendimiento.
Con esta configuración han conseguido reducir en gran medida la cantidad de aditivos, mejorando la capacidad de la pila. La energía específica llega hasta los 928 Wh/kg alrededor del ciclo 16 y se estabiliza en los 600 Wh/kg a partir de los 150 ciclos en una celda que ofrece un voltaje de 2.2 V.
Como es normal en la tecnología de electrolito sólido estas baterías mejoran su rendimiento a temperaturas de 60 ºC frente a los 25-30 ºC a los que se suelen tomar estas medidas, un punto a favor frente a las baterías de ion litio actuales, que a partir de los 30 ºC empiezan a sufrir daños irreparables. Además su proceso de fabricación no incluye la formación de nanoestructuras o deposiciones de capa fina, simplemente procesos de molido y prensado similares a los usados en la fabricación de las baterías de ion litio comerciales.
Solid Power ha recibido una ayuda del Departamento de Proyectos de Investigación Avanzada de Energía de los Estados Unidos de 3.4 millones de dólares y tiene como claro objetivo el mercado de los coches eléctricos. Según sus predicciones esperan tener un prototipo listo para ponerlo a prueba en menos de 2 años. Prototipo con el que se triplicará la autonomía de los coches eléctricos actuales.
Fuentes | Solid Power | Colorado University | Journal of the Electrochemical Society
