La multimillonaria carrera para desarrollar baterías capaces de almacenar hasta un 40% más de energía para revolucionar nuestros móviles, coches y aviones

• Las baterías de iones de litio dominarán la industria del almacenamiento durante los próximos años, pero no ha habido un gran avance en la tecnología en 3 décadas.
• Ahora un grupo de startups que ha recaudado un total de más de 1.000 millones de dólares está trabajando para llevar al mercado la próxima generación de baterías de iones de litio.
• Las nuevas baterías de ánodo de silicio prometen un aumento del 20 al 40% en el almacenamiento de energía en comparación con las células tradicionales, lo que podría revolucionar la industria de los dispositivos, los coches y los aviones. 
• El silicio es notoriamente difícil de trabajar. E incluso si las empresas pueden superar sus desafíos, hay otra batería en desarrollo que pronto podría hacer que las células de silicio quedaran obsoletas.
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Por mucho que nos quejemos de nuestros teléfonos, auriculares y ordenadores portátiles, las células de iones de litio que los alimentan son nada menos que increíbles. 

En un iPhone XR típico, por ejemplo, la batería pesa sólo 46 gramos y puede mantener el dispositivo con vida hasta 25 horas.

Así que no es sorprendente que los expertos digan que el Li-ion será la batería elegida en los próximos años.

"Nadie está realmente cerca de ponerse al día", explica Daniel Finn-Foley, el jefe de almacenamiento de energía de Wood Mackenzie, a Business Insider.

Pero eso no quiere decir que no haya una carrera para desarrollar algo mejor.

Un grupo de startups que ha recaudado unos 1.000 millones de dólares, según PitchBook, está compitiendo para llevar al mercado una nueva generación de células de iones de litio que almacenarán mucha más batería. 

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¿El secreto? Ánodos de silicio. Es increíblemente difícil trabajar con ellos, pero si se hace bien, podrían aumentar el potencial de almacenamiento de energía de las baterías de iones de litio hasta un 40%. Eso significa dispositivos más duraderos, más kilometraje para los coches eléctricos, y quizás incluso una nueva industria construida en torno a los aviones eléctricos.

Esto es todo lo que necesitas saber sobre esta nueva y prometedora tecnología.

¿Por qué el silicio?

Primero, un poco de ciencia sobre baterías: las células tienen dos electrodos, el cátodo y el ánodo; un electrolito líquido y un separador que evita que los electrodos se toquen. 

Liberan energía a medida que los iones de algún elemento fluyen del ánodo al cátodo, a través del electrolito. En el caso de las baterías de Li-ion, esos iones son del elemento litio. 

Lo que es importante saber es que la cantidad de energía que una célula puede almacenar está limitada por la cantidad de iones que pueden introducirse en el ánodo. La mayoría de los ánodos de Li-ion están hechos de un material basado en el carbono llamado grafito, el mismo material que se encuentra dentro de los lápices. 

El grafito tiene muchos beneficios, por ejemplo, puede descargarse repetidamente sin que la batería se degrade mucho. Pero en relación con un pequeño número de otros elementos, el grafito no puede almacenar tantos iones. 

El silicio, por otro lado, es una superestrella del almacenamiento. 

Un gramo de este material puede almacenar unos 1.000 miliamperios hora, una medida de la carga eléctrica a lo largo del tiempo, según Matthew Keyser, experto en baterías del Laboratorio Nacional de Energía Renovable. En comparación, el grafito sólo puede almacenar unos 350 miliamperios por gramo, compara. 

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Por eso tantas compañías de baterías están persiguiendo el éxito con el silicio, que dicen que podría mejorar la densidad de energía de las baterías entre un 20 y un 40%.

"Si no trabajas en silicio, estás atrasado", asegura a Business Insider Alexander Girau, el fundador y CEO de Advano, una de las muchas startups de ánodos de silicio.

A pesar de su utilidad, el silicio tiene algunos inconvenientes importantes

El silicio tiene una serie de inconvenientes.

Por un lado, el silicio se expande al absorber iones de litio, explica Keyser. Eso puede causar grietas, lo que a su vez puede interrumpir el flujo de iones.

Los materiales basados en el silicio también son propensos a una rápida degradación. Después de un ciclo de descarga, la cantidad de energía que pueden almacenar puede reducirse a la mitad, señala. 

¿Por qué? 

Es bastante complicado, pero básicamente se produce una reacción entre el silicio y el electrolito. La reacción se come el electrolito y el litio para formar una gruesa corteza en la superficie del silicio que impide el flujo de los iones.

Estos desafíos han puesto obstáculos en el camino hacia la comercialización de las células de ánodos de silicio. Pero también han encendido una carrera científica liderada por un puñado de startups.  

Estas incluyen negocios como Sila Nanotechnologies, uno de los pocos unicornios de tecnología limpia, y Advano, que recientemente salió del modo sigiloso al atraer 18,5 millones de dólares de inversores como el diseñador del iPod, Tony Fadell.  

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Domesticando el silicio 

Hay algunas maneras diferentes de enfrentarse a los defectos del silicio.

Una opción es limitar la cantidad que se usa. Si solo entre el 10 y el 20% del peso del ánodo es silicio, no se expandirá tanto, pero se seguirá produciendo un aumento en la capacidad de almacenamiento de energía. 

Ese es el enfoque de la nueva empresa con sede en Chicago, NanoGraf, que "espera lograr un aumento de la densidad de energía de un 20 a un 30% en comparación con lo que hay actualmente en el mercado", asegura Cary Hayner, cofundador y jefe de tecnología de NanoGraf.

Advano, Sila Nanotechnologies, Enevate, y otros están usando otro enfoque. Sus tecnologías encierran el silicio dentro de una estructura esponjosa semiporosa. A medida que el silicio absorbe los iones, se expande dentro de los agujeros mientras que el volumen de la esponja se mantiene más o menos igual. De esa manera no se agrieta.  

"El silicio tiene que hincharse y contraerse", señala Gene Berdichevsky, el director general de Sila Nanotechnologies. "Cuando le permitimos hacer eso dentro de una macroestructura que tiene una cubierta exterior rígida, eso permite que esto suceda internamente."

Finalmente, Keyser explica que algunas compañías, incluyendo Amprius — una de las empresas de energía limpia más valiosas del mundo — están desarrollando lo que él llama arquitecturas 3D. Esencialmente, cubren una superficie conductora, como el cobre, con columnas microscópicas de grafito, alrededor de las cuales colocan partículas de silicio.  

"Cuando se expande y contrae, puede expandirse en el espacio entre las columnas", explica Keyser. 

¿Las células de ánodos de silicio ya se están quedando obsoletas? 

Las células de ánodos de silicio son un gran problema. Están siendo el primer gran avance en baterías en unas tres décadas, dicen los expertos, y una mejora de entre el 20 y el 40% en la densidad de energía transformará sin duda nuestros aparatos y coches. 

Pero hay mejores baterías en marcha, como las células de estado sólido con ánodos de metal de litio. 

"La mayoría de la gente ve el silicio como un buen paso provisional", afirma Doug Campbell, el cofundador y director general de Solid Power, una nueva empresa con sede en Colorado que está desarrollando baterías de estado sólido. "El litio-metal proporciona un verdadero cambio cuando se trata de almacenar mucha energía".  

En una batería de estado sólido, el electrolito líquido y el separador son reemplazados por un material conductor sólido. Eso los hace más seguros, ya que el electrolito líquido puede ser propenso a la explosión.

Además, los ánodos hechos de metal de litio — que solo es posible en las células de estado sólido, según Keyser — los hace extremadamente densos en energía.

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"Si tienes una lámina de metal de litio, no hay material más denso en energía que ese", asegura Keyser. "Básicamente va el grafito, el silicio y luego el metal de litio. Esa es realmente la progresión que estamos viendo ahora mismo." 

Pero al igual que los ánodos de silicio, los ánodos de litio-metal son difíciles de trabajar, lamenta Keyser. Y hemos descubierto cómo hacerlos sólo en pequeños lotes, lo cual es una de las razones por las que estas baterías han sido aún más difíciles de comercializar que las células de ánodos de silicio.

"Si esos problemas no existieran, entonces iríamos inmediatamente al metal de litio, porque ¿por qué no?", reflexiona Keyser. 

Este contenido fue publicado originalmente en BI Prime.