La batería de silicio, mayor autonomía con el mismo peso
Investigadores del Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar (ISE) han logrado un hito significativo en el ámbito de la tecnología energética. Han conseguido que una célula tipo «pouch» de 25 Ah, fabricada por ellos mismos y dotada de ánodos ricos en silicio, funcione con éxito durante más de 1.000 ciclos completos, en el marco del proyecto «StrOboBatt». Tras la realización de las pruebas, la célula conservaba más del 83% de su capacidad. Este logro representa un hito significativo en el campo del desarrollo de baterías, ya que se ha alcanzado la capacidad de realizar 1.000 ciclos completos con una retención de capacidad mínima del 80 %, lo cual se considera el requisito mínimo para su uso comercial.
Silicio: alta densidad energética, pero expansión extrema.
La célula tipo bolsa se distingue por su ánodo de silicio, lo que resulta en una mayor densidad energética en comparación con los ánodos de grafito convencionales. No obstante, el silicio aún no se ha adoptado de forma generalizada como material de ánodo, debido a que su volumen se expande hasta un 300% (cuadruplicándose) durante la carga, debido a la absorción de iones de litio, y posteriormente vuelve a contraerse durante la descarga. Este movimiento significativo provoca la pérdida de contacto eléctrico dentro del electrodo y acelera la descomposición del electrolito. Como resultado, la célula muestra una degradación demasiado rápida para su uso práctico. En comparación, el grafito solo experimenta un incremento de entre el 10 % y el 12 %.
Con el propósito de mitigar la tensión mecánica ocasionada por dicha expansión extrema, los investigadores del Fraunhofer ISE recurrieron al uso de un compuesto de silicio y carbono, constituyendo el 51 % del material activo del ánodo. En combinación con un cátodo rico en níquel, la célula tipo «pouch» se fabricó en una línea piloto a escala industrial.
La presión y la dinámica de carga son factores clave.
En el laboratorio, los prototipos de celdas de batería fueron sometidos a una presión axial de 1.000 kilopascales (equivalente a aproximadamente 10 bar) durante los procesos de carga y descarga. A pesar de la manipulación del material, el contacto entre los electrodos se mantuvo estable. Sin embargo, a una presión inferior de 300 kilopascales (equivalente a aproximadamente 3 bar), la capacidad útil se vio afectada de manera significativa y con mayor rapidez. Por lo tanto, se concluye que la presión mecánica externa es un parámetro decisivo.
Los ensayos llevados a cabo en condiciones reales de funcionamiento han puesto de manifiesto que la capacidad útil se ve mermada con mayor celeridad en niveles de potencia elevados que durante ciclos de prueba moderados. Esta información es de suma importancia para su posible aplicación en vehículos eléctricos. En este sentido, los sistemas de gestión de baterías deben tener en cuenta este factor para garantizar un funcionamiento óptimo y eficiente.
Tras someter las celdas a los correspondientes ensayos, se ha comprobado que alcanzan una densidad energética gravimétrica de 280 Wh/kg. Sin embargo, el Fraunhofer ISE sostiene que una producción en serie optimizada a escala industrial podría alcanzar aproximadamente 330 Wh/kg. Una batería de 330 Wh/kg supondría un aumento de entre el 20 % y el 35 % aproximadamente en comparación con las celdas NMC y NCA actuales, y casi el doble de la densidad energética de las celdas LFP.
Materias primas europeas para una gama más amplia.
En la práctica, esto implica que un vehículo eléctrico podría contar con una capacidad de almacenamiento de casi 100 kWh, en lugar de los aproximadamente 75 kWh actuales, manteniendo el mismo peso de batería. Este desarrollo aumentaría significativamente la autonomía realista de un vehículo de tamaño medio, pasando de aproximadamente 450 km a más de 600 km.
Además del aumento de la autonomía, esta tecnología ofrece una clara ventaja estratégica para el sector industrial. En la actualidad, el grafito se importa principalmente de fuera de Europa. Por ello, el mayor uso de compuestos de silicio permite trasladar parcialmente la creación de valor de las materias primas a Europa. Esto se debe a que el silicio puede obtenerse y producirse sintéticamente a nivel regional.
Escrito por José Miguel Fernández Gómez.
