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El auge de las baterías de litio de estado sólido. El camino hacia la electrificación

El auge de las baterías de litio de estado sólido. El camino hacia la electrificación

11 de julio de 2023

En los últimos años, ha surgido un creciente interés y desarrollo en las baterías de litio de estado sólido, marcando un hito importante en el camino hacia la electrificación. Estas baterías ofrecen una serie de ventajas en comparación con las baterías de litio convencionales, como una mayor densidad de energía, mayor seguridad y una vida útil más larga.

La estructura de una batería de iones de litio.

La siguiente imagen muestra la estructura de una celda de iones de litio real, la tecnología que ahora se utiliza en la gran mayoría de los vehículos eléctricos en circulación. ¿Qué estamos mirando?

Baterías de Iones de Litio

Las baterías de iones de litio son una avanzada tecnología de baterías que tiene cuatro componentes principales: ánodo, cátodo, separador y electrolito.

Cada celda de iones de litio está compuesta por:

  • Dos electrodos: un cátodo y un ánodo que aceptan la intercalación de iones de litio dentro de su estructura:
    • Un cátodo o polo positivo de la batería hecho de material catódico (LFP, NMC, LMO, etc.)
    • Un ánodo o polo negativo hecho  de material anódico (carbono o grafito)
  • El separador central es una fina capa de polimero plástico (polietileno o polipropileno) que evita el contacto directo entre los dos electrodos, permite el flujo de iones de litio y realiza la función de aislante.
  • El electrolito suele ser una solución de sales de litio en un solvente orgánico, llena todo el volumen dentro de la celada, empapa los electrodos y permite la conducción de los iones de litio entre los electrodos durante la carga y descarga de la celda. 

Estos componentes son fundamentales para el funcionamiento de las baterías de iones de litio y su capacidad de almacenar y liberar energía de manera eficiente.

La estructura de una batería de estado sólido

La estructura de una batería de estado sólido difiere de una batería convencional de iones de litio. En lugar de utilizar electrolitos líquidos o gelatinosos, las baterías de estado sólido emplean electrolitos sólidos para facilitar el flujo de iones de litio.

En una batería de estado sólido típica, se encuentran los siguientes componentes principales:

  • Cátodo: Es el electrodo positivo de la batería, donde ocurre la reacción de reducción durante la descarga. En las baterías de estado sólido, el cátodo puede estar compuesto por materiales como óxidos metálicos, sulfuros o fosfatos.
  • Ánodo: Es el electrodo negativo de la batería, donde ocurre la reacción de oxidación durante la descarga. Al igual que el cátodo, el ánodo en las baterías de estado sólido puede estar hecho de materiales como grafito, silicio o litio metálico.
  • Electrolito sólido: Es un material sólido que actúa como conductor iónico en la batería. El electrolito sólido permite el transporte de iones de litio entre el cátodo y el ánodo durante la carga y descarga. Algunos ejemplos de electrolitos sólidos son cerámicas, polímeros conductores o vidrios iónicos.
  • Separador: Es una capa o membrana que se coloca entre el cátodo y el ánodo para evitar el contacto directo entre ellos y prevenir cortocircuitos. El separador también permite el flujo de iones de litio mientras mantiene la separación física entre los electrodos.

La estructura de una batería de estado sólido puede variar según el diseño específico y los materiales utilizados. Sin embargo, la presencia de un electrolito sólido en lugar de un electrolito líquido es la característica clave que distingue a las baterías de estado sólido de las baterías convencionales de iones de litio. Este enfoque busca mejorar la seguridad, la densidad de energía y la estabilidad de las baterías, abriendo nuevas posibilidades para aplicaciones en la electrónica, la movilidad y el almacenamiento de energía.

estructura de baterías de metal de litio de estado sólido

[Figura 2]

La capa central gris en una batería de estado sólido corresponde al separador de estado sólido. El separador de estado sólido es una capa delgada y sólida que se coloca entre el cátodo y el ánodo en la estructura de la batería. 

Esta capa de separador de estado sólido desempeña un papel crucial en el funcionamiento de la batería, al permitir el movimiento de los iones de litio entre los electrodos durante la carga y descarga. Además, al evitar el contacto directo entre el cátodo y el ánodo, el separador previene los cortocircuitos y mejora la estabilidad y eficiencia de la batería.

¿Cómo funciona una batería de estado sólido?

Cuando la celda se carga en una batería de estado sólido, los iones de litio se desplazan desde el cátodo hacia el ánodo a través del separador. Durante este proceso, las partículas de litio atraviesan la estructura del separador y se acumulan entre el propio separador y el contacto eléctrico del ánodo, formando una capa sólida de litio puro. Esto resulta en que el ánodo esté compuesto únicamente por partículas de litio y tenga un volumen más reducido en comparación con un ánodo de tecnología de iones de litio que utiliza una estructura de grafito.

¿Cuáles son los puntos fuertes actuales en la tecnología de baterías de estado sólido?

Si bien las baterías de estado sólido parecen prometedoras en términos de densidad de energía, duración y seguridad, es importante tener en cuenta que esta tecnología aún está en desarrollo. Hasta el momento, las baterías de iones de litio continúan siendo la tecnología más avanzada y ampliamente disponible en el mercado. 

Existen diversas variantes de baterías de iones de litio, cada una diseñada para diferentes aplicaciones, y se producen en grandes cantidades. Aunque las baterías de estado sólido tienen el potencial de superar a las baterías de iones de litio en el futuro, todavía se requieren avances y mejoras antes de que estén listas para su adopción a gran escala.

Una vez dicho esto, echemos un vistazo a las ventajas que ofrecen las baterías de estado sólido:

  1. El factor clave de la seguridad

En el desarrollo de las baterías de estado sólido, la seguridad es un factor clave y prioritario. Las baterías de estado sólido ofrecen mejoras significativas en términos de seguridad en comparación con las baterías convencionales de iones de litio que utilizan electrolitos líquidos.

El uso de electrolitos sólidos en las baterías de estado sólido elimina el riesgo de fugas o derrames de líquidos inflamables, lo que reduce considerablemente el riesgo de incendios o explosiones. Además, al eliminar los materiales inflamables, se reduce la posibilidad de reacciones químicas no deseadas que puedan comprometer la seguridad.

Otra ventaja importante en términos de seguridad que ofrecen las baterías de estado sólido es su mayor resistencia a la formación de dendritas. Las dendritas son crecimientos filamentosos de metal que pueden formarse en las baterías convencionales de iones de litio y pueden provocar cortocircuitos y fallos en el funcionamiento de la batería.

En las baterías de estado sólido, la estructura sólida del electrolito ayuda a prevenir o limitar la formación de dendritas. Esto se debe a que el electrolito sólido proporciona una mayor uniformidad y estabilidad en comparación con los electrolitos líquidos utilizados en las baterías convencionales. Como resultado, las baterías de estado sólido tienen una mayor resistencia a los cortocircuitos y una mayor durabilidad en condiciones de funcionamiento extremas.

Sin embargo, es importante destacar que la seguridad de las baterías de estado sólido aún está en desarrollo y se requieren más investigaciones para abordar posibles desafíos y garantizar su funcionamiento seguro en diversas condiciones y aplicaciones.

  1. Récord de densidad de energía

Las baterías de estado sólido tienen el potencial de ofrecer una mayor densidad de energía en comparación con las baterías convencionales de iones de litio. La densidad de energía se refiere a la cantidad de energía que puede almacenarse en relación con el volumen o la masa de la batería.

Debido a su diseño y a la utilización de materiales avanzados, las baterías de estado sólido tienen la capacidad de almacenar una mayor cantidad de energía en un espacio más reducido. Esto significa que se puede lograr una mayor capacidad de almacenamiento de energía en un tamaño más compacto, lo que resulta beneficioso para dispositivos portátiles, vehículos eléctricos y otras aplicaciones donde el espacio es limitado.

Según los últimos estudios, se ha observado que las baterías de estado sólido tienen una densidad de energía potencialmente 2-2,5 veces mayor que la tecnología actual de iones de litio. Esta diferencia significativa en la densidad de energía permitiría desarrollar baterías más ligeras y compactas, lo que sería beneficioso para la movilidad eléctrica al brindar una mayor autonomía y reducir el peso de los vehículos.

La mayor densidad de energía de las baterías de estado sólido permite una mayor autonomía y eficiencia en vehículos eléctricos, ya que pueden almacenar más energía en un espacio más pequeño.

3. Tiempos de carga ultrarrápidos

Las baterías de estado sólido también muestran prometedores tiempos de carga ultrarrápidos en comparación con las baterías de iones de litio convencionales, hasta seis veces mayor. Debido a su diseño y composición, las baterías de estado sólido pueden soportar tasas de carga más altas sin experimentar degradación significativa.

Esto significa que los dispositivos y vehículos equipados con baterías de estado sólido podrían cargarse mucho más rápido, lo que resultaría en tiempos de carga considerablemente reducidos en comparación con las baterías actuales. Esto es especialmente relevante para la movilidad eléctrica, donde los usuarios desean minimizar el tiempo de inactividad y disfrutar de una carga rápida y conveniente.

4. Producción más rápida

Las baterías de estado sólido también tienen el potencial de ofrecer una producción más rápida en comparación con las tecnologías de baterías actuales. Debido a su diseño simplificado y la eliminación de componentes líquidos, las baterías de estado sólido pueden ser más fáciles y rápidas de fabricar.

La ausencia de electrolitos líquidos reduce la complejidad del proceso de producción y elimina la necesidad de etapas de llenado y sellado. Esto puede acelerar significativamente la línea de producción y aumentar la eficiencia general en la fabricación de baterías de estado sólido.

Además, las baterías de estado sólido pueden ofrecer una mayor uniformidad y consistencia en términos de rendimiento y características. Esto significa que hay menos variabilidad en las propiedades de las celdas individuales, lo que facilita el proceso de emparejamiento y ensamblaje de las baterías.

Sin embargo, es importante tener en cuenta que, aunque se esperan mejoras en la velocidad de producción, la tecnología de baterías de estado sólido aún está en desarrollo y no ha alcanzado una etapa de producción a gran escala. Se requiere más investigación, desarrollo y optimización para garantizar una producción rápida y eficiente de baterías de estado sólido a gran escala.

Desafíos que enfrentan las baterías en estado sólido

Si bien las baterías de estado sólido tienen el potencial de revolucionar la industria automotriz y mejorar la eficiencia de los vehículos eléctricos, es importante tener en cuenta que esta tecnología todavía se encuentra en una etapa temprana de desarrollo y enfrenta varios desafíos antes de su adopción generalizada. 

Sin embargo, se espera que con el tiempo y los avances tecnológicos, estas limitaciones se superen y las baterías de estado sólido se conviertan en una realidad en diversos campos de aplicación.

  1. Problemas de estabilidad

Uno de los principales desafíos que enfrenta la tecnología de baterías de estado sólido es la estabilidad a largo plazo. A medida que las baterías se cargan y descargan repetidamente, pueden experimentar degradación en su rendimiento y capacidad. En el caso de las baterías de estado sólido, esto se debe en parte a la interacción entre los materiales utilizados en la estructura de la batería, como los electrodos y el separador.

Los materiales utilizados en las baterías de estado sólido deben ser lo suficientemente estables para soportar los ciclos de carga y descarga sin degradarse significativamente. Además, deben resistir las reacciones químicas no deseadas que pueden conducir a la formación de dendritas, cortocircuitos o incluso fallos catastróficos.

Para abordar estos problemas de estabilidad, los investigadores están explorando diferentes enfoques. Esto incluye la mejora de los materiales utilizados en la estructura de la batería, como la búsqueda de electrolitos sólidos más estables y la optimización de los electrodos para reducir la degradación. También se están investigando nuevos enfoques de diseño y fabricación para mejorar la estabilidad y la durabilidad de las baterías de estado sólido.

  1. El separador solo funciona a alta temperatura

En las baterías de estado sólido, el movimiento de los iones se ve facilitado por la presencia de un electrolito sólido que permite la conducción iónica. Sin embargo, este electrolito sólido puede tener una conductividad iónica limitada a temperaturas más bajas, lo que afecta el rendimiento de la batería en condiciones normales de operación.

Actualmente, los electrodos sólidos en las baterías de estado sólido funcionan de manera óptima a temperaturas superiores a los 50 grados Celsius. Esto significa que, en aplicaciones reales, donde las baterías no siempre estarán en un estado caliente, el rendimiento de la batería puede disminuir significativamente.

Para hacer que las baterías de estado sólido sean más viables y prácticas, se requiere un avance en el desarrollo de materiales de electrolitos sólidos que puedan funcionar de manera eficiente a temperaturas más bajas. Esto permitiría un mejor rendimiento de la batería en un rango más amplio de temperaturas y su aplicación en una variedad de dispositivos y vehículos sin restricciones de temperatura.

Los investigadores y científicos están trabajando en el desarrollo de materiales de electrolitos sólidos mejorados que puedan ofrecer una mayor conductividad iónica a temperaturas más bajas. Al superar este desafío, se podrán aprovechar plenamente las ventajas de las baterías de estado sólido y se abrirán nuevas oportunidades para su implementación en diversas aplicaciones, incluidos los vehículos eléctricos.

  1. Los ciclos de vida aún son cortos

Las baterías de estado sólido que se están probando actualmente presentan ciclos de vida más cortos en comparación con otras tecnologías de iones de litio. 

El principal desafío radica en lograr un buen contacto entre las capas de la célula, ya que la pérdida de contacto afecta negativamente la capacidad y el rendimiento de la batería. Los investigadores están trabajando para mejorar la estabilidad de las capas, utilizando materiales de contacto mejorados y técnicas de fabricación más precisas. 

  1. Alto costo

Un desafío significativo en la implementación de las baterías de estado sólido es su alto costo. Debido a que esta tecnología aún está en desarrollo y no se produce a gran escala, los materiales y procesos utilizados para fabricar las baterías de estado sólido son costosos. Además, se requiere una inversión significativa en investigación y desarrollo para mejorar la eficiencia y reducir los costos de producción. 

Sin embargo, se espera que a medida que avance la tecnología y se logren economías de escala, los costos de las baterías de estado sólido disminuyan, lo que las hará más accesibles y viables para diversas aplicaciones en el futuro.

Principales campos de aplicación

Las baterías de estado sólido tienen una amplia gama de campos de aplicación. Uno de los principales sectores es la electrificación del transporte. Estas baterías prometen aumentar la autonomía de los vehículos eléctricos, reducir los tiempos de carga y mejorar la seguridad. Esto podría impulsar la adopción masiva de vehículos eléctricos y contribuir a la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero.

Además del transporte, las baterías de estado sólido también pueden ser utilizadas en el almacenamiento de energía a gran escala. Esto permitiría integrar de manera más efectiva fuentes de energía renovable intermitentes, como la solar y la eólica, en las redes eléctricas, brindando estabilidad y confiabilidad.

En el ámbito de la electrónica portátil y dispositivos móviles, las baterías de estado sólido podrían mejorar significativamente la duración de la batería y el rendimiento de teléfonos inteligentes, computadoras portátiles y dispositivos wearable, ofreciendo una mayor comodidad y autonomía a los usuarios.

Asimismo, estas baterías podrían impulsar avances en la eficiencia y capacidad de los electrodomésticos y dispositivos electrónicos en el hogar, como electrodomésticos inteligentes, sistemas de almacenamiento de energía doméstica y equipos electrónicos de entretenimiento.

Otro campo potencial es la tecnología espacial, donde las baterías de estado sólido podrían utilizarse en misiones espaciales debido a su mayor densidad de energía, seguridad y resistencia a condiciones extremas.

Estos son solo algunos ejemplos de los campos de aplicación de las baterías de estado sólido. A medida que esta tecnología continúe desarrollándose y superando sus desafíos, es probable que se abran nuevas oportunidades en diversos sectores, siendo los vehículos eléctricos uno de los impulsores clave de esta innovación.

Conclusión

Aunque las baterías de litio de estado sólido aún se encuentran en una etapa de desarrollo y no están ampliamente disponibles en el mercado, se espera que desempeñen un papel importante en la electrificación a medida que se perfeccionen y se vuelvan más accesibles. Su potencial para revolucionar la industria de la energía y la movilidad es prometedor, impulsando un futuro más sostenible y libre de emisiones.

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