Baterías en estado sólido, el "santo grial" del almacenamiento de energía

El desarrollo de las energías renovables, habitualmente, se encuentra con el obstáculo de una tecnología poco desarrollada respecto a las baterías. Los científicos se afanan en dar un paso más allá, como el de estos investigadores españoles que han desarrollado unas baterías sin litio.

Otro tipo son las baterías en estado sólido, que en la firma independiente de investigación sobre tecnologías emergentes IDTechEx denominan como el "santo grial". 

Las baterías de estado sólido son las que más llaman la atención a los investigadores

En una publicación reciente de la empresa analítica, explican que el rápido crecimiento del mercado de vehículos eléctricos ha impulsado el desarrollo, la fabricación y la venta de baterías, especialmente las de iones de litio, que dominan el sector desde hace una década. 

Sin embargo, debido a las limitaciones de rendimiento, la protección del medio ambiente y las consideraciones relativas a la cadena de suministro, las tecnologías de almacenamiento de energía de nueva generación no dejan de ser objeto de investigación y desarrollo. 

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Entre todas las opciones, los debates populares sobre las baterías de estado sólido han suscitado esfuerzos tanto en el mundo académico como en la industria. 

Son las que más han llamado la atención de institutos de investigación, proveedores de materiales, vendedores de baterías, proveedores de componentes, fabricantes de equipos originales de automoción, capitales de riesgo e inversores. Además, subrayan, cada vez son más las empresas que trabajan en el campo de estas baterías en todo el mundo.

¿Qué pueden aportar las pilas de estado sólido a la realidad?

Las baterías de estado sólido, resaltan, tienen muchas ventajas. Entre ellas, mayor seguridad, mayor densidad energética, ciclos de vida más largos, mayor durabilidad, rango de temperaturas de funcionamiento más amplio, apilamiento compacto, diseño simplificado de la batería, posibilidad de flexibilidad mecánica y muchas más.

Por ejemplo, sustituyen los electrolitos líquidos orgánicos por otros de estado sólido, lo que permite crear baterías más seguras y duraderas. Además, el electrolito sólido puede ser compatible con materiales de cátodo de alto voltaje y ánodo metálico de litio de alta capacidad. Es posible llevar la densidad energética más allá de los 1.000 Wh/L.

Sin embargo, la mayoría de los electrolitos de estado sólido tienen una densidad mayor que el separador de poliolefina, especialmente el inorgánico. Y suelen ser más espesos que los separadores utilizados en las baterías de iones de litio convencionales. 

Si los electrodos se mantienen iguales (ánodo de grafito y cátodo de óxido metálico estratificado), la mayoría de las baterías en estado sólido acaban teniendo una densidad energética gravimétrica inferior a la de las baterías de iones de litio.

Muchas personas, advierten, mencionan que el sistema de gestión térmica puede eliminarse en el caso de las baterías de estado sólido porque son seguras. "Pero esto no es cierto: las baterías de estado sólido pueden tener una zona de funcionamiento seguro diferente a la de las baterías de iones de litio. Siguen siendo necesarios los sistemas de gestión térmica y muchas otras protecciones".

También se dice que dichas baterías no tendrán ninguna oportunidad, ya que sus propuestas de valor son poco realistas o demasiado difíciles de conseguir.

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Para IDTechEx, "las opiniones optimistas y pesimistas indican una falta de comprensión de las baterías de estado sólido. Como el sector es inmaduro, dependiendo de la tecnología de la que hablemos, tienen diferentes propuestas de valor, diseños de celdas, rendimiento, requisitos de la cadena de suministro, métodos de fabricación y niveles de preparación". 

Pero, en términos generales, agregan, "la mayor seguridad, la densidad energética potencialmente más alta y los diseños de sistemas simplificados siguen siendo los principales impulsores de estas baterías".

3 grandes sistemas de materiales en las baterías en estado sólido

Dentro del régimen de baterías de estado sólido, explican, existen varios enfoques tecnológicos. Los sistemas de óxido, sulfuro y polímero se han convertido en las opciones más populares en el desarrollo de la próxima generación, con otras variaciones dentro de cada categoría. 

En general, los electrolitos de sulfuro presentan las ventajas de una alta conductividad iónica, incluso mejor que la del electrolito líquido, baja temperatura de procesamiento, amplia ventana de estabilidad electroquímica, etcétera. 

Muchas características los hacen atractivos, siendo considerados por muchos como la opción definitiva. No obstante, la dificultad de fabricación y el subproducto tóxico sulfuro de hidrógeno generado en el proceso hacen que su comercialización sea relativamente lenta. 

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Los sistemas poliméricos son fáciles de fabricar, la mayoría son compatibles con las instalaciones de fabricación existentes y algunos ya se comercializan. Aunque la temperatura de funcionamiento es relativamente alta, el bajo potencial antióxido y la peor estabilidad indican la existencia de desafíos. 

Los sistemas de óxido son más estables que el litio metálico, con buenas estabilidades electroquímica y térmica. Pero, la mayor resistencia de la interfaz y los procesos de fabricación de mayor coste y menor rendimiento muestran algunas dificultades en general.

Ninguna tecnología es perfecta, concluyen en el informe, y, aunque las baterías en estado sólido actuales no pueden ofrecer algunas ventajas en comparación con las convencionales de iones de litio, la mayor seguridad, el aumento potencial de la densidad energética y la simplificación del diseño respecto al sistema, siguen siendo sus principales impulsores.