Las celdas con silicio superan los 1.000 ciclos y acercan baterías con más autonomía

Conseguir que un coche eléctrico recorra más kilómetros no debería depender siempre de instalar una batería más grande y pesada. Una de las vías para evitarlo consiste en aumentar la densidad energética. Y ahí el silicio lleva tiempo despertando interés, aunque también plantea un problema difícil de resolver: mantener sus prestaciones después de muchas cargas y descargas.

El instituto alemán Fraunhofer ISE ha dado un paso en esa dirección dentro del proyecto StrOboBatt. Sus investigadores han desarrollado celdas de formato bolsa, con una capacidad de 25 Ah y ánodos ricos en silicio, que han superado los 1.000 ciclos completos conservando más del 83% de su capacidad inicial. Un resultado relevante para una tecnología cuyo potencial energético ha estado condicionado por su degradación.

Un ciclo completo no equivale a enchufar el coche una vez. Representa cargar y descargar una cantidad de energía equivalente a toda la capacidad de la batería, algo que puede acumularse mediante varias recargas parciales. Por eso, este tipo de ensayo permite estudiar la resistencia al uso, aunque por sí solo no determina cuántos años o kilómetros duraría un pack instalado en un coche.

El silicio permite almacenar más energía, pero exige controlar su expansión

El atractivo del silicio está en su capacidad para almacenar litio, muy superior a la del grafito utilizado habitualmente en los ánodos. El inconveniente aparece durante la carga: su volumen puede aumentar hasta un 300%, para después contraerse al descargar. Repetir ese movimiento somete al electrodo a un esfuerzo considerable y puede deteriorar sus conexiones internas, además de favorecer reacciones que aceleran el envejecimiento.

Para reducir esos problemas, los investigadores emplearon un material compuesto de silicio y carbono, combinado con grafito. Ese compuesto representa el 51% del material activo del ánodo, una precisión importante: no significa que la mitad del ánodo sea silicio puro. El conjunto se combina con un cátodo NMC rico en níquel.

Uno de los aspectos decisivos del ensayo fue la presión aplicada sobre las celdas. Con aproximadamente 10 bares de presión externa, el comportamiento a largo plazo fue mejor que con unos 3 bares. Mantener el contacto entre los materiales ayuda a limitar las consecuencias de sus cambios de volumen, de modo que la estructura que sujeta las celdas también forma parte del desafío.

Esto tiene una consecuencia práctica para los fabricantes. No basta con desarrollar un material capaz de almacenar mucha energía: hay que integrarlo en una batería que mantenga las condiciones adecuadas durante su funcionamiento. Los elementos de sujeción, la refrigeración y las protecciones también ocupan espacio y pesan, por lo que la ventaja obtenida en una celda debe comprobarse después en el pack completo.

Los ensayos también detectaron una diferencia creciente entre la capacidad medida con descargas suaves y la disponible cuando se exigía más a las celdas. Es un matiz relevante para un coche eléctrico, donde la demanda de energía cambia continuamente. Conservar capacidad en una comprobación de laboratorio no garantiza que toda ella siga siendo aprovechable de la misma manera bajo cargas más exigentes.

La densidad energética medida fue de 280 Wh/kg, mientras que el instituto estima que un formato industrial optimizado podría alcanzar aproximadamente 330 Wh/kg. La segunda cifra es una previsión, no el resultado ya demostrado en estas celdas. Entre ambas hay una mejora cercana al 18%, aunque eso tampoco se traduciría automáticamente en un 18% más de autonomía del coche.

Para entender el potencial, podemos utilizar un ejemplo sencillo. Si un futuro pack consiguiese pasar de 75 a 100 kWh manteniendo su peso y el coche conservase el mismo consumo, la autonomía aumentaría aproximadamente un 33%. Un recorrido de 450 kilómetros se convertiría en unos 600 kilómetros. Es una ilustración matemática de la ventaja buscada, no una autonomía medida por Fraunhofer ni una mejora garantizada por este ensayo.

También existe otra posibilidad igualmente interesante: mantener la capacidad y reducir el peso de la batería. Para un comprador que ya tenga suficiente autonomía, esa opción podría resultar más útil que seguir acumulando kilómetros sobre el papel. La elección dependerá de cuánto cueste fabricar estas celdas y de cómo se comporten una vez integradas en un coche.

El proyecto añade, además, una vertiente industrial europea. Sustituir parte del grafito por compuestos de silicio podría ayudar a diversificar el suministro de materiales y trasladar parte de esa actividad a Europa. Eso no elimina la necesidad de procesarlos con calidad y a un precio competitivo, pero abre una vía para reducir dependencias.

Todavía queda trabajo antes de encontrar esta solución en un modelo de producción. Habrá que demostrar que conserva sus ventajas en un pack, bajo distintas temperaturas y durante años de utilización. El siguiente paso será conseguir que esos buenos resultados sobrevivan fuera del laboratorio, sin que el peso y el coste de mantener las celdas bajo control se coman la mejora.

Fuente | ise.fraunhofer