Mayor autonomía con el mismo peso: la batería de silicio pasa la prueba de laboratorio
Éxito crucial en la investigación de baterías: las celdas de película con ánodos ricos en silicio superaron la prueba de más de 1.000 ciclos sin perder menos del 80 por ciento de su capacidad. Aquí se explican los parámetros que desempeñan un papel importante y qué significa este avance para los automóviles eléctricos.
Imagen: Fraunhofer ISE
Los investigadores del Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar (ISE) lograron, en el marco del proyecto “StrOboBatt”, hacer funcionar una celda de película fabricada por ellos misma con ánodos ricos en silicio durante más de 1.000 ciclos completos. Tras la prueba, la celda aún conservaba una capacidad residual de más del 83 por ciento. De este modo, el proyecto de investigación alcanzó una marca importante en el desarrollo de baterías: 1.000 ciclos completos con al menos un 80 por ciento de conservación de capacidad se consideran un requisito mínimo para su uso comercial.
Silicio: alta densidad energética, pero expansión extrema
Lo especial de la celda de membrana es su ánodo rico en silicio, ya que permite una mayor densidad energética en comparación con los ánodos de grafito convencionales. Hasta ahora, sin embargo, el silicio no puede utilizarse como material de ánodo, ya que su volumen se expande hasta en un 300 por ciento al cargarse debido a la absorción de iones de litio (cuadruplicándose) y vuelve a contraerse al descargarse. Este movimiento intenso provoca la pérdida del contacto eléctrico dentro de la electrodo y causa una descomposición más rápida del electrolito. La consecuencia es un envejecimiento demasiado rápido de la celda para poder utilizarla en la práctica. Para comparación: el grafito solo se expande entre un diez y un doce por ciento.
Para reducir la carga mecánica causada por la fuerte expansión, los investigadores del Fraunhofer ISE utilizaron un compuesto de silicio y carbono que constituye el 51 por ciento del material activo de la ánodo. Junto con una cátodo rico en níquel, se fabricó la celda de membrana en una línea piloto similar a las industriales.
La presión y la dinámica de carga son factores decisivos
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. En estas condiciones, el contacto entre las electrodos se mantuvo estable a pesar del movimiento del material. En cambio, con una presión menor de 300 kilopascales (aproximadamente 3 bares), la capacidad útil disminuyó mucho más rápidamente. Así, la presión mecánica externa resultó ser un parámetro decisivo.
Además, las pruebas bajo cargas dinámicas del uso diario mostraron que la capacidad utilizable disminuye más rápidamente a altas prestaciones que en ciclos de prueba menos intensivos. Esto ofrece una indicación importante para su futuro uso en automóviles eléctricos, cuyos sistemas de gestión de baterías deben tener esto en cuenta.
Las celdas probadas alcanzaron una densidad energética gravimétrica de 280 Wh/kg. Sin embargo, Fraunhofer ISE explica que en una producción en serie optimizada industrialmente se podrían lograr unos 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 en comparación con las celdas LFP.
Materias primas europeas para mayor autonomía
En la práctica, esto significa que un coche eléctrico podría contar con la misma masa de batería pero con una capacidad de almacenamiento de casi 100 kWh en lugar de los aproximadamente 75 kWh actuales. Eso elevaría el alcance realista de un vehículo de tamaño medio, que actualmente es de unos 450 kilómetros, a más de 600 kilómetros.
Aparte del simple aumento del alcance, esta tecnología también aporta una ventaja estratégica para la industria local. Dado que el grafito debe importarse en su mayor parte desde fuera de Europa, un uso más intensivo de compuestos de silicio permite trasladar parcialmente la creación de valor de los materiales primas a Europa, ya que el silicio puede extraerse de forma regional y sintética.