Baterías estado sólido: movilidad eléctrica más potente y segura
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Contrariamente a algunos estudios que apuntan en otra dirección, sigue generando inquietud entre muchos la idea de que los vehículos eléctricos arden con mayor facilidad y de forma irreversible. Las baterías de estado sólido – en lugar de las convencionales con electrolitos líquidos – podrían desmontar esta preocupación y muchas otras más.
Según el Instituto Fraunhofer IFAM (Instituto de Tecnología de Fabricación e Investigación Aplicada de Materiales), las baterías de estado sólido son un componente clave para la electrificación de la movilidad. Al sustituir los electrolitos líquidos inflamables por materiales sólidos, no solo aumentan su seguridad, sino que también permiten una mayor autonomía y tiempos de carga más cortos que las baterías de iones de litio tradicionales. Nuevos diseños celulares, como los que desarrollan conjuntamente los institutos Fraunhofer IFAM e ISE (Instituto de Sistemas Energéticos Solares), prometen además densidades energéticas superiores, lo que se traduce en baterías más ligeras y compactas.
También las baterías de estado sólido se basan en la tecnología de iones de litio. Sin embargo, en lugar de emplear electrolitos orgánicos líquidos – como ocurre habitualmente – , utilizan electrolitos sólidos basados en polímeros o sulfuros.
El Fraunhofer ISE se centra, según sus propias declaraciones, en la investigación de baterías de estado sólido que emplean materiales sulfúricos. Por su parte, el Fraunhofer IFAM trabaja en baterías de estado sólido poliméricas, que suelen basarse en sistemas termoplásticos y ofrecen, según el instituto, la ventaja de poder recurrir en su fabricación a técnicas consolidadas, como la extrusión, el moldeo por inyección o el calandrado (el paso del material por varios rodillos calentados).
Los sulfuros, especialmente adecuados
El gran reto radica, no obstante, en que dichos materiales presentan una conductividad ligeramente inferior y, por ende, también una menor potencia. En cambio, las baterías de estado sólido basadas en electrolitos iónicos sulfurosos poseen una conductividad equivalente a la de las baterías con electrolitos líquidos, lo que las hace igualmente aptas para aplicaciones de alta potencia. Además, son relativamente blandas, lo que permite su fabricación mediante técnicas convencionales de recubrimiento en solución. Sin embargo, según el Instituto Fraunhofer IFAM, su principal inconveniente es su inestabilidad frente a la humedad. El Instituto Fraunhofer ISE se centra en los materiales sulfurosos porque únicamente esta clase de materiales permite, sin necesidad de añadir electrolitos líquidos, alcanzar una elevada conductividad iónica de litio a temperatura ambiente, combinada con una baja densidad cristalina. Esta última característica resulta decisiva para lograr altas densidades energéticas (superiores a 400 Wh∙kg-1 / > 1000 Wh∙l-1; Wh = vatiohora) empleando cátodos convencionales, como los basados en níquel-manganeso-cobalto. Las baterías de iones de litio tradicionales para automóviles eléctricos alcanzaron, en el segundo trimestre de 2023, densidades energéticas de aproximadamente 280 Wh/kg. Un grupo de investigación chino liderado por CATL presentó entonces, según informó Golem, una batería de iones de litio con una densidad energética de 711 Wh/kg y 1.654 Wh/l en su primer ciclo de carga. La clave del logro residía en sustituir parte del alto contenido de níquel por mayores cantidades de litio y manganeso.
Densidades energéticas de hasta 500 Wh/kg posibles
El Instituto Fraunhofer IFAM habla incluso de densidades energéticas de hasta 500 watios-hora por kilogramo, alcanzables al sustituir el electrolito orgánico inflamable, habitual en las baterías de iones de litio, por materiales sólidos conductores iónicos. Con ello se prevé también una mayor vida útil, sin mencionar la reducción del espacio ocupado en los vehículos eléctricos.
Además de los turismos eléctricos, se prevé que las futuras aplicaciones incluyan taxis aéreos y drones. En el marco del proyecto colaborativo ALANO – liderado por un fabricante original de equipos (OEM) – , el Fraunhofer IFAM participa asimismo en el desarrollo de nuevos conceptos de ánodo para baterías de estado sólido.
El Instituto Fraunhofer ISE fabrica, para el diseño de tres componentes, también cátodos y separadores. Estos últimos podrían aplicarse, en el futuro diseño de dos componentes, de forma ultradelgada directamente sobre el electrodo. Con un nuevo material catódico, el equipo chino de CATL logró en laboratorio densidades energéticas de 1.100 Wh/kg e incluso de 1.288 Wh/kg.
Un fabricante de automóviles que ya apuesta por las baterías de estado sólido es Mercedes-Benz. Su socio estadounidense Factorial Energy presentó en septiembre de 2024 el proyecto Solstice: una batería de estado sólido desarrollada conjuntamente. Aunque su comercialización no está prevista hasta finales de la segunda década, promete una densidad energética de 450 Wh/kg, un aumento de la autonomía de hasta el 80 % y una reducción «considerable» del peso de los vehículos eléctricos.
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Fuente de la imagen principal: Unsplash / Ernest Ojeh
