Cuando se habla de vehículos eléctricos, sin considerar el tamaño, uso y hasta procedencia, lo primero a considerar es autonomía y es allí donde las baterías cobran el protagonismo, porque todo lo demás está solucionado.
En esa búsqueda de la solución definitiva, las baterías de estado sólido esta dejando de ser un sueño para llegar a ser la realidad palpable de una tecnología imbatible. Por ahora las baterías más comunes son las de Ion de Litio, que se compone de dos electrodos de metal (o de material compuesto), uno siendo cátodo y el otro ánodo, inmersos en un líquido conductor (electrolito). El conjunto es lo que se llama celda. Y la combinación de varias celdas forma la batería. La batería emplea como electrolito una sal de litio que consigue los iones necesarios para la reacción química reversible que tiene lugar entre el cátodo y el ánodo.
Cuando la batería está cargada y se le conecta un aparato para alimentar, 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. Con los ciclos de vida (carga y descarga), el litio líquido se va solidificando comiendo de paso el separador entre el ánodo y el cátodo creando dendritas (o cavidades). Esas dendritas van a provocar una caída de las prestaciones de la batería y en los casos extremos provocar un sobrecalentamiento, un corto circuito e incluso una explosión. Situaciones que se han visto en algunos modelos de celulares donde explota la batería.
Una batería de estado sólido funciona con el mismo principio que una de iones de litio, la principal diferencia está en el electrolito que en este caso es un material sólido. Así, aporta más autonomía, tiempo de recarga muy corto y seguridad. Una batería de estado sólido puede almacenar tres veces más energía que una batería de iones de litio y se recarga en menos de una hora según los fabricantes.
El laboratorio austriaco Christian Doppler, de la Universidad de Graz ha puesto en marcha la investigación de baterías de estado sólido. El foco de su trabajo se centrará en la reducción de la resistencia que opone el electrolito al desplazamiento de los iones por su interior, cuando viajan de un electrodo a otro, lo que provoca pérdidas importantes de rendimiento. La solución es emplear una combinación de electrolitos de cerámica, que ofrecen alta conductividad y estabilidad termodinámica, y de polímero, que es una material muy fácil de procesar, en combinación de una recarga por pulsos.
“Las baterías de estado sólido serán un paso gigante hacia la movilidad eléctrica”, asegura Daniel Rettenwander del Instituto de Química y Tecnología de Materiales de la Universidad de Tecnología de Graz.
Por ahora el desarrollo se enfrasca en solucionar que la alta resistencia que se desarrolla en las interfaces, la frontera entre el material de los electrodos y los electrolitos. Esta circunstancia impide que el transporte de iones entre los electrodos se realice de manera rápida, lo que conduce a una pérdida significativa de rendimiento. En la mayoría de los casos, el problema se encuentra en la interfaz entre el electrolito sólido y el material del electrodo y entre las partículas del propio electrolito.
Según Rettenwander, su equipo se centrará en diferentes estrategias para solventar estos problemas. En primer lugar, la distribución de la densidad de corriente en las interfaces se puede homogeneizar mediante la introducción de capas intermedias con propiedades de transporte de litio finamente ajustadas. Además, se probarán métodos de carga alternativos, por pulsos, en lugar de la corriente continua, para lograr una deposición de litio homogénea.
Empleando una combinación de electrolitos de cerámica y de polímero es posible reducir el peso y al mismo tiempo compensar la pérdida de contacto debido a la expansión del material del cátodo durante la carga y descarga, logrando baterías más ligeras, que proporcionan una mayor densidad de energía. Esta combinación supondría emplear “lo mejor de ambos mundos (sólido y líquido): la alta conductividad y estabilidad termodinámica de los electrolitos cerámicos, combinados con las excelentes propiedades mecánicas, y la fácil procesabilidad de los electrolitos a base de polímeros”. Además, para que el transporte de los iones se produzca de forma suave se requieren modificaciones de la superficie para mejorar la unión entre la cerámica y el polímero, ya que “esta estructura crea una nusigue siendoeva interface entre cerámica y polímero, que evita el transporte de iones entre los componentes”.
En contraste con las baterías de litio-aire y otro tipo de tecnologías de baterías experimentales, el desarrollo de baterías de estado sólido está relativamente avanzado. Todavía pasará algún tiempo antes de que estén listas para su uso vehículos eléctricos y por ahora solo se encuentran en funcionamiento en dispositivos electrónicos. “Estamos trabajando a toda velocidad en soluciones sostenibles en este laboratorio de CD y, por lo tanto, nos vemos como una plataforma de lanzamiento esencial para la próxima generación de sistemas de almacenamiento de energía”, concluye Rettenwander.
Cuando se logre solucionar estos aspectos, la era del petróleo como combustible para movilidad se resquebrajará, por una tecnología más limpia, reciclable y que seguirá en procesos de mejoramiento hasta lograr productos con mejores prestaciones. Aún así, el mejor combustible que existe es el aire, y que alimentaba el proyecto francés que enterró Tata Motors, o el de energía solar que es un proceso de experimentación permanente en las facultades de ingeniaría del mundo.
Fuente: Universidad de Graz