Mayor autonomía con el mismo peso: la batería de silicio supera la prueba de laboratorio
Un avance crucial en la investigación de baterías ha permitido que las celdas de película con ánodos ricos en silicio soporten más de 1,000 ciclos de pruebas sin que su capacidad disminuya por debajo del 80 por ciento. Analizamos los parámetros que desempeñan un papel clave y qué podría significar este progreso para los vehículos eléctricos.
Imagen: Fraunhofer ISE
Los investigadores del Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar (ISE) han logrado hacer funcionar con éxito una celda tipo bolsa de 25 Ah, fabricada por ellos mismos y con ánodos ricos en silicio, durante más de 1,000 ciclos completos como parte del proyecto ‘StrOboBatt’. Tras las pruebas, la celda conservó más del 83 por ciento de su capacidad. Este logro representa un hito importante en el desarrollo de baterías: 1,000 ciclos completos con al menos un 80 por ciento de retención de capacidad se consideran el requisito mínimo para su uso comercial.
Silicio: alta densidad energética, pero expansión extrema
La celda de tipo pouch se destaca por su ánodo rico en silicio, lo que permite una mayor densidad de energía en comparación con los ánodos convencionales de grafito. Sin embargo, el silicio aún no se ha adoptado ampliamente como material de ánodo porque su volumen aumenta hasta un 300 por ciento (cuadruplicándose) durante la carga debido a la absorción de iones de litio y luego se reduce nuevamente durante la descarga. Este movimiento significativo provoca la pérdida del contacto eléctrico dentro del electrodo y acelera la descomposición del electrolito. Como resultado, la celda se degrada demasiado rápido para un uso práctico. En comparación, el grafito solo se expande entre un 10 y un 12 por ciento.
Para reducir la tensión mecánica causada por esta expansión extrema, los investigadores de Fraunhofer ISE utilizaron un compuesto de silicio y carbono, que representa el 51 por ciento del material activo del ánodo. Combinado con un cátodo rico en níquel, la celda de tipo bolsa fue producida en una línea piloto a escala industrial.
La presión y las dinámicas de carga son factores clave
En el laboratorio, los prototipos de celdas de batería también fueron sometidos a una presión axial de 1,000 kilopascales (aproximadamente 10 bares) durante la carga y descarga. A pesar del movimiento del material, el contacto entre los electrodos se mantuvo estable. Sin embargo, a una presión más baja de 300 kilopascales (aproximadamente 3 bares), la capacidad utilizable disminuyó de manera significativamente más rápida. Por lo tanto, la presión mecánica externa resultó ser un parámetro decisivo.
Las pruebas en condiciones reales dinámicas también demostraron que la capacidad utilizable disminuye más rápidamente a altos niveles de potencia que durante ciclos de prueba suaves. Esto ofrece una perspectiva importante para su uso futuro en vehículos eléctricos, cuyos sistemas de gestión de baterías deben tener en cuenta este factor.
Las celdas probadas alcanzaron una densidad de energía gravimétrica de 280 Wh/kg. Sin embargo, Fraunhofer ISE afirma que la producción en masa optimizada industrialmente podría lograr alrededor de 330 Wh/kg. Una batería con 330 Wh/kg representaría un aumento de aproximadamente el 20 al 35 por ciento en comparación con las celdas NMC y NCA actuales, y casi el doble de la densidad de energía de las celdas LFP.
Materias primas europeas para mayor autonomía
En términos prácticos, esto significa que un vehículo eléctrico podría tener una capacidad de almacenamiento de casi 100 kWh en lugar de los aproximadamente 75 kWh actuales con el mismo peso de batería. Esto aumentaría el rango realista de un vehículo de tamaño medio de unos 450 km a más de 600 km.
Además del aumento en el rango, esta tecnología ofrece una ventaja estratégica para el sector industrial. Dado que el grafito se importa actualmente principalmente desde fuera de Europa, el mayor uso de compuestos de silicio permite un desplazamiento parcial de la creación de valor de las materias primas hacia Europa, ya que el silicio puede obtenerse y producirse de forma sintética a nivel regional.