El electrolito es un elemento clave en las baterías. Y los electrolitos de estado sólido permitirán la construcción de baterías más estables, seguras, duraderas y compactas … así como menos tóxicas. En otras palabras, representan la evolución definitiva de las baterías.
Antes de comenzar, sigue una advertencia: con este artículo no pretendemos dar una conferencia sobre el futuro de la tecnología de electrolitos sólidos, predecir su evolución o anticipar qué empresas o soluciones serán líderes en este campo en el futuro, sino solo para explicar el concepto. detrás porque la expresión «electrolito sólido» está comenzando a ser omnipresente. Al contrario de lo que ha sucedido con la evolución de las baterías convencionales de iones de litio, los fabricantes están comenzando a invertir grandes sumas en participar o tomar el control de empresas dedicadas a esta tecnología, como es el caso de Volkswagen y Quantum Scape o BMW y Ford con Solid Power. (Ambas Marcas forjadas hace una década en laboratorios de materiales de prestigiosas universidades).
Sin embargo, aunque se ha vuelto lo suficientemente prometedor como para estar seguros del futuro, el electrolito sólido sigue siendo una tecnología compleja y en evolución y, al igual que otras tecnologías revolucionarias (como el grafeno), es un negocio que ofrece beneficios potenciales. Riesgos e inversiones a largo plazo involucrados.
Las baterías de estado sólido serán visiblemente más pequeñas y ligeras
que los actuales
Como suele suceder con los grandes inventos (piense en la energía nuclear, por ejemplo), detrás del electrolito sólido hay un concepto relativamente simple: resolver algunos obstáculos para construir una batería recargable perfecta.
Irónicamente, la batería perfecta ha existido durante años y está disponible para cualquier persona en muchas tiendas o en Internet. Simplemente busque «Energizer Ultimate Lithium» y podrá obtener una batería llena de afirmaciones que suenan demasiado buenas para ser verdad, como si durara más que cualquier otra batería en el mundo o pudiera almacenarse durante 20 años sin perder carga. Pero … son verdad.
Si tiene curiosidad, incluso puede abrir uno (o mejor aún, encontrar un video en Internet de alguien que lo esté haciendo). Verás que dentro de cada una de estas baterías tiene una lámina triple laminada compuesta de metal litio (ánodo o polo negativo), un separador plástico (electrolito, compuesto esencialmente por una lámina muy porosa de óxido de polietileno) y un polvo fino de sulfuro de hierro (un sustancia marrón que reacciona con la humedad del aire para emitir un compuesto pútrido llamado sulfuro de hidrógeno o H2S). De hecho, las baterías Energizer Ultimate Lithium son baterías de litio / azufre, y con ellas se podría construir una batería de coche eléctrico, que sería unas 10 veces más ligera y pequeña que las actuales. Solo tienen un «pequeño» problema: no se pueden recargar. O más bien, no deben recargarse porque, al igual que las afirmaciones sobre su rendimiento, las advertencias en el paquete sobre incendios y explosiones también son serias. Y la sólida historia de los electrolitos se trata de poner fin a estas advertencias.
De hecho, las baterías de iones de litio de estado sólido (o SSLIB) y las baterías de litio de estado sólido de litio-metal (ASSB) ya se consideran la próxima generación de sistemas de almacenamiento de baterías. La electricidad y los electrolitos sólidos son la clave de su funcionamiento. En comparación con los electrolitos actuales, los electrolitos sólidos ofrecen una mayor estabilidad térmica (baterías más seguras, más fáciles de usar y de mayor duración), menos tóxicas, más ligeras y más compactas.
¿QUÉ ES EL ELECTROLITO?
El electrolito es un componente fundamental de cualquier dispositivo electroquímico o batería. La función del electrolito es proporcionar un medio de transporte de iones entre el ánodo y el cátodo de la batería. Cuando se descarga un último litio, el litio en el ánodo se disuelve, convirtiéndose en un catión (un átomo con carga positiva que a menudo se representa como Li +), que atraviesa el electrolito para encontrarse con el sulfuro de hierro del cátodo, dando lugar a una serie de reacciones químicas, capaz de absorber cuatro electrones. Estos cuatro electrones viajan al cátodo a través de un circuito eléctrico fuera de la batería y, de paso, operan el dispositivo eléctrico o electrónico en el que insertó las baterías.
Cuando se trata de recargar un litio final, el litio regresa del cátodo al ánodo, formando agujas metálicas llamadas dendritas que perforan el electrolito y provocan un cortocircuito en el interior de la batería. Esto genera una corriente eléctrica que calienta el interior de la batería, derritiendo el electrolito y empeorando las cosas. Esta situación se denomina fuga térmica o escalada térmica y, hasta ahora, es un riesgo inherente para cualquier batería de litio, sea o no recargable. En algunos tipos de baterías de litio recargables, como las de litio / fosfato, las consecuencias no son muy espectaculares. En otros, equipados con una densidad de energía mucho mayor, como el polímero de cátodo de litio / MNC utilizado en casi todos los coches eléctricos … buff, bienvenido al festival de fuegos artificiales en tu ciudad.
En 1992, Sony encontró una solución paliativa al problema de las dendritas y la perforación de electrolitos con la invención de las baterías de iones de litio que todos usamos hoy en día. La sutileza del ion litio es que el litio en el ánodo se almacena disuelto en grafito superporoso (en un futuro próximo se sustituirá el grafito por silicio, más ligero y de mayor capacidad). Siempre que la batería no esté sobrecargada (es decir, no supere un cierto voltaje límite de aproximadamente 4,3 voltios), el litio «ablanda» el grafito de manera ordenada, evitando la formación de dendritas. Una vez eliminado el problema de las dendritas, ahora se puede utilizar un plástico superporoso como electrolito empapado en una solución orgánica de sales de litio que actúa como medio de transporte de iones.
Sin embargo, el uso de grafito tiene una consecuencia terrible: la capacidad de la batería disminuye drásticamente. La densidad de carga que puede almacenar el grafito es al menos 10 veces menor que la del litio. De hecho, y teóricamente, el litio tiene una capacidad de carga específica de 3.860 mAh por gramo. Sí, lo leiste bien. En teoría, la batería de 120 Ah en un BMW i3 podría construirse con 96 celdas de metal de litio conectadas en serie, cada una con 31 gramos de litio. Suena tentador, ¿no?
Deje que pase el electrolito sólido
Sin embargo, como se explicó anteriormente y debido a la formación de dendrita, los ánodos de metal de litio no son compatibles con los electrolitos líquidos actuales, porque los separadores porosos poliméricos actuales no proporcionan una barrera física lo suficientemente fuerte para evitar la perforación por algunas de las dendritas. Además, estos electrolitos líquidos, basados en soluciones salinas como LiPF6 en disolventes orgánicos carbonatados, son tóxicos e inflamables (de hecho, a altas temperaturas, los carbonatos se descomponen, proporcionando una fuente adicional de oxígeno).
La solución es reemplazar este electrolito líquido débil y peligroso con un electrolito sólido fuerte, inerte. La batería de electrolito sólido resultante carecería de una interfaz de líquido vulnerable entre el ánodo y el cátodo. De hecho, el electrolito sólido podría ser mucho más liviano y delgado que el electrolito líquido actual, mejorando aún más la densidad de energía volumétrica (Wh por litro) y gravimétrica (Wh por kilogramo) de la batería.
Y aquí viene la complejidad. Hay muchos conductores iónicos líquidos adecuados, pero no tantos sólidos. Para construir un buen ASSB, el electrolito sólido debe cumplir con ciertas características. Para empezar, debe tener una alta conductividad iónica porque las intensidades máximas de carga y descarga dependen de esto (es decir, la potencia máxima de la batería y el tiempo de recarga).
Posteriormente, debe tener una alta estabilidad electroquímica, porque el litio tiende a reaccionar prácticamente con cualquier cosa. En tercer lugar, debe proporcionar una buena interfaz con el litio y el cátodo; es decir, debe dejarse «mojar» o adherirse bien tanto al litio como al material catódico. En cuarto lugar, debe proporcionar una resistencia mecánica lo suficientemente buena para que una capa de unos pocos micrones de espesor resista la penetración de las dendritas de metal de litio durante miles de ciclos de carga y descarga. En quinto lugar, debe ser flexible porque se producirán grandes cambios de volumen en la celda; Tenga en cuenta que, literalmente, con cada ciclo de descarga, todo el litio del ánodo desaparece y espesa el cátodo. En sexto lugar, el electrolito sólido debería ser barato. Y finalmente, nos gustaría poder reutilizar los procesos de fabricación de baterías actuales.
SE DESEA EL ELECTROLITO PERFECTO
La buena noticia es que los primeros puntos están más o menos resueltos. Como explicamos en el diagrama adjunto, actualmente existen dos grandes familias de electrolitos sólidos, orgánicos e inorgánicos, y en este último consideramos dos grandes subgrupos: óxidos y sulfuros.
No los describiremos en detalle. Baste decir que, en términos generales, todo el mundo tiene una o más desventajas graves. Por ejemplo, los óxidos como LiSICON no proporcionan suficiente conductividad iónica a temperatura ambiente. Los sulfuros, como el tio-LiSICON, tienen una buena conductividad iónica (cuatro órdenes de magnitud mayor que LiSICON y comparable a la de los electrolitos líquidos), pero para la fabricación de capas delgadas deben calentarse a temperaturas del orden de mil grados. .. y tienden a arruinarse cuando se enfrían. Además, tanto los óxidos como los sulfuros son cerámicos con tendencia a romperse con los cambios en el volumen del ánodo y del cátodo. En cuanto a los polímeros, tienen buena conductividad iónica y son fáciles de producir en capas delgadas a temperaturas cercanas a la temperatura ambiente … pero pueden ser perforados por dendritas.
Así, los ingenieros de materiales de todas las grandes empresas dedicadas a investigar todas las baterías de estado sólido (como Solid Power y Quantum Scape mencionadas anteriormente) se enfocan en lograr lo que se hace cada vez que un material con propiedades intermedias entre esos dos materiales … ¡los mezcla!
Las baterías de litio-metal de estado sólido (ASSB) serán la próxima generación de almacenamiento
Los electrolitos sólidos híbridos son una combinación de electrolitos orgánicos e inorgánicos y son la solución más prometedora al problema. Los detalles de los procesos de fabricación son secretos, pero básicamente consiste en sinterizar un electrolito inorgánico poroso a alta temperatura y llenarlo con un electrolito orgánico que ofrece flexibilidad. Son literalmente un material compuesto, y en los gráficos puede hacerse una idea del proceso de fabricación.
La llegada de estas baterías ASSB, con metal de litio en ánodo y electrolito sólido, se espera hacia el 2025. De hecho, fabricantes como Honda se han comprometido a presentar en ese año un vehículo eléctrico basado en ellas … aunque puede ser un modelo como una celda de combustible experimental como la actual Toyota Mirai.
Lo cierto es que cada vez son más las empresas que ofrecen a los fabricantes celdas de estado sólido con capacidades eléctricas muy respetables (del orden de los 50 Ah) para que realicen sus experimentos. Por lo tanto, la era de las baterías compactas, ligeras, seguras y de larga duración con velocidades de carga y descarga rápidas está a la vuelta de la esquina. Y la empresa que lleve al gato al agua estará hecha de oro. Así que podría ser el momento de invertir uno o dos euros en todo. Piensa sobre esto.
