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TECNOLOGÍA. Cómo la tecnología de baterías de estado sólido cambiará el mundo

 

Desde teléfonos inteligentes hasta vehículos eléctricos, así es como las baterías de estado sólido son el futuro. John Seb Barber / Flickr

Sin baterías, se podría argumentar que el mundo que conocemos hoy sería un lugar muy diferente. Y una forma de batería ha dominado el mercado durante más de una década: la de iones de litio. 

Pero estas baterías tienen algunos problemas inherentes (como una vida útil limitada) y están lejos de ser una solución "ecológica" para alimentar dispositivos portátiles. Como nos hemos vuelto cada vez más dependientes de cosas como los teléfonos inteligentes, ¿no sería genial si las baterías que los alimentan pudieran durar la prueba del tiempo ? 

Ahí es donde la tecnología emergente de estado sólido podría, francamente, revolucionar el mundo de las baterías. Se trata de un campo apasionante y de rápido desarrollo del que todos, con suerte, nos beneficiaremos en un futuro no muy lejano.

¿Qué es una batería de estado sólido?

Las baterías de estado sólido, como su nombre indica, son baterías que tienen electrodos sólidos y electrolitos sólidos. Este tipo de baterías son una tecnología emergente y de rápido desarrollo promocionada por muchos como la próxima generación en tecnología de baterías.

Muchos también creen que pueden sacar a las baterías de iones de litio de su dominio actual en el mercado, baterías que en la actualidad se están instalando en los nuevos vehículos eléctricos.

Las baterías de estado sólido tienen una inflamabilidad comparativamente baja, mayor estabilidad electroquímica, cátodos de mayor potencial y mayor densidad de energía en comparación con las baterías de electrolitos líquidos.

Estas características y su mayor rendimiento, seguridad increíble y costo de fabricación relativamente bajo podrían resultar revolucionarios para muchas industrias que dependen de la tecnología de baterías.

Fuente: Peter Miller / Flickr

Hasta la fecha, existen varias formas prometedoras de baterías de estado sólido que difieren principalmente en función de los materiales utilizados para fabricar el ánodo y el cátodo, y los electrolitos utilizados. Óxidos,  sulfuros, fosfatos, poliéteres, poliésteres, a base de nitrilo, polisiloxano, poliuretano, etc., son solo algunas de las opciones que se están explorando actualmente. 

Dicho esto, la mayoría de las investigaciones sobre el tema tienden a caer en una de dos categorías: electrolitos sólidos inorgánicos u orgánicos. Los primeros, generalmente en forma de cerámica, son los más adecuados para los sistemas de baterías rígidas que se requieren para hacer frente a las duras condiciones ambientales, como las altas temperaturas. Los orgánicos, por su parte, generalmente en forma de polímeros, son más fáciles de procesar (y por lo tanto más baratos) pero son los más adecuados para dispositivos flexibles.

Fuente:  Zinc8

¿Cuál es la diferencia entre las baterías de estado sólido y las baterías de iones de litio?

Antes de comenzar a definir qué es una batería de estado sólido, podría valer la pena repasar brevemente qué es una batería de iones de litio y cómo funcionan. 

Las baterías de iones de litio, como las que se encuentran en muchos productos electrónicos hoy en día, tienden a constar de los siguientes componentes: 

- Un cátodo: esta es la parte de la batería que almacena iones positivos (cationes) como el litio + y tiende a estar hecha de óxidos metálicos.

- Un ánodo: generalmente está hecho de carbono (en baterías de Li-on) y también almacena litio 

- Un separador: este material, sorprendentemente, separa el ánodo y el cátodo y también bloquea el flujo de electrones, pero permite el paso de iones a través de él. 

- Un electrolito: este es el líquido que separa los dos electrodos y transporta los cationes de litio desde el ánodo al cátodo cuando se descarga (y viceversa cuando se carga). 

- Colectores actuales: tanto positivos como negativos. 

Cuando la batería está conectada a un dispositivo electrónico, los iones cargados positivamente se mueven desde el ánodo de la batería hacia su cátodo. Esto hace que el cátodo se cargue más positivamente (en relación con el ánodo) que, a su vez, atrae más electrones cargados negativamente al cátodo. 

Fuente: Toshiyuki IMAI / Flickr

El separador de la batería incluye electrolitos que forman un catalizador para acelerar este proceso y que promueve el movimiento de iones y electrones hacia el ánodo y el cátodo. Este proceso da como resultado electrones libres en el ánodo, lo que crea una carga en el colector de corriente positiva de la batería. Luego, la corriente eléctrica puede fluir desde el colector de corriente, a través del dispositivo y de regreso al colector de corriente negativa de la batería. Cuando las baterías de iones de litio se están recargando, ocurre el mismo proceso excepto en la dirección opuesta, restaurando la batería para descargarla en el futuro. 

Las baterías de estado sólido, por otro lado, utilizan un electrolito sólido, no líquido. Este electrolito sólido también tiende a actuar como separador de la batería. Por lo demás, el proceso es muy similar al de las baterías de iones de litio, pero variará según el tipo de batería de estado sólido en cuestión (por ejemplo, iones de sodio, etc.). 

Todo muy bien, pero ¿qué beneficios, si los hay, tienen las baterías de estado sólido sobre las baterías más tradicionales, como las de iones de litio? 

Uno de los principales beneficios es la seguridad. Los electrolitos líquidos vienen con algunos problemas inherentes. A corrientes más altas, pequeños filamentos de metal de litio tienden a formarse dentro de los electrolitos que, con el tiempo, pueden aumentar el riesgo de cortocircuito de la batería. Desafortunadamente, los electrolitos de las baterías de iones de litio modernas también tienden a ser altamente inflamables. 

Batería de estado sólido impresa en 3D. Fuente:  Blackstone Resources AG

La tendencia a la formación de los filamentos de litio y la inflamabilidad inherente del electrolito líquido crea una bomba de tiempo que puede hacer que este tipo de baterías se queme espontáneamente, y lo ha hecho. 

Aquí es donde las baterías de estado sólido ofrecen un nivel de seguridad mucho mayor que sus alternativas de baterías de iones de litio. El uso de cosas como alternativas de electrolitos cerámicos es, por ejemplo, mucho menos probable que se queme. Los materiales cerámicos también ayudan a prevenir la formación de filamentos de litio que, en teoría, podrían permitir que tales baterías funcionen a corrientes mucho más altas que las baterías de iones de litio equivalentes. 

Sin embargo, las cerámicas también son muy frágiles, lo que puede resultar problemático durante el funcionamiento y la fabricación. Hay soluciones disponibles para solucionar este problema, incluida la impregnación de cerámica con nanopartículas de grafeno. Esto no solo aumenta la durabilidad de los electrolitos cerámicos, sino que también ayuda a mantener su conductividad iónica. Recuerde, los mejores electrolitos conducen iones, no electricidad. 

Los experimentos en esta área llevados a cabo por equipos como los de  la Universidad de Brown han demostrado que esta solución puede más que duplicar la tenacidad del electrolito cerámico mientras mantiene su utilidad como un potencial separador y electrolito de batería de estado sólido. Otras opciones incluyen el uso de cátodos orgánicos en combinación con baterías de iones de sodio de estado sólido. Esto es interesante ya que las baterías de iones de sodio existentes, aunque son de estado sólido, tienden a carecer de la densidad de energía de las baterías de iones de litio. 

Fuente:  r. nial bradshaw / Flickr

Otro problema con este tipo de batería de estado sólido es que una capa de cristales de sodio inactivos tiende a acumularse sobre el cátodo bloqueando el movimiento de los iones de sodio y matando efectivamente la batería. 

Al usar un cátodo hecho de pireno-4,5,9,10-tetraona (PTO), un equipo de investigación de la Universidad de Houston  descubrió que este tipo de cátodo ofrece muchas ventajas sobre los cátodos inorgánicos más tradicionales. Por ejemplo, el uso de PTO permite que la interfaz resistiva entre el cátodo y el electrolito se invierta realmente. Esto tiene importantes implicaciones para la estabilidad y el aumento de la vida útil de dichas baterías, al tiempo que mejora la densidad de energía. 

Al permitir un contacto cercano entre un cátodo rígido y un electrolito sólido, independientemente del cambio en el diámetro del cátodo durante el ciclo de la batería, esto podría resultar un cambio de juego para las baterías de estado sólido. 

Pero no descarte las baterías de estado sólido de iones de sodio por el momento. Otros equipos de investigación están trabajando para encontrar una forma de solucionar los problemas inherentes a esta tecnología. Un equipo de la Universidad Estatal de Washington (WSU) y el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL)  han encontrado una manera de prevenir la acumulación de sodio inactivo en los cátodos.  

Descubrieron que la creación de un cátodo de óxido metálico impregnado con iones de sodio adicionales permitía la generación de electricidad sin obstáculos. Esto podría resultar revolucionario, ya que permitiría la producción de baterías de iones de sodio a la par con las alternativas de iones de litio. De hecho, después de más de 1.000 ciclos de recarga, esta solución retuvo alrededor del 80% de su densidad energética. 

Fuente:  WSU

Si bien muchas baterías de estado sólido, como se mencionó anteriormente, se consideran mejores alternativas a las baterías de iones de litio, puede haber algo de compromiso en el horizonte: las baterías de litio de estado sólido . Un equipo de investigación de la Universidad de Michigan está trabajando precisamente en eso. 

Han logrado integrar electrolitos cerámicos sólidos en baterías de iones de litio y han demostrado una mejora notable en la durabilidad y la vida útil en comparación con las baterías de iones de litio más convencionales. Este enfoque también pudo aumentar las tasas de carga de las baterías. 

Otros investigadores también han logrado avances en la producción de baterías de litio de estado sólido imprimibles en 3D. Si se escala a la producción, esta innovación podría permitir una producción mucho más barata y menos derrochadora de baterías de iones de litio que también tienen los beneficios de otras baterías SSD (como seguridad, mayor densidad de energía, etc.). 

Todo está bien, pero estas baterías aún dependen de iones de litio, que son raros y no son los materiales más limpios para extraer y refinar. Esta es otra diferencia importante entre las baterías de iones de litio y sus alternativas de estado sólido: su impacto inherente en el medio ambiente. Las baterías de iones de litio requieren algunos componentes bastante tóxicos, a saber, cobalto y, obviamente, litio. 

Estos materiales son relativamente raros, son costosos de extraer y refinar, y con demasiada frecuencia se extraen de minas en países o regiones pobres donde se presta poca o ninguna atención al bienestar de los trabajadores o del medio ambiente. 

La extracción de litio también consume cantidades masivas de agua tanto en el proceso de extracción como en las piscinas de evaporación masiva que se utilizan para producir los cristales ricos en litio. Esta minería y procesamiento es un trabajo altamente peligroso y también es extremadamente devastador para los ecosistemas circundantes. 

Una historia similar ocurre con el cobalto, que a menudo se extrae de las llamadas "minas artesanales". Estas pequeñas minas a menudo implican el uso de mano de obra infantil en condiciones de trabajo espantosas que también producen muchos contaminantes desagradables en el aire como el uranio, además de liberar grandes cantidades de azufre en el ciclo del agua. 

Las baterías de estado sólido, por otro lado, tienden a utilizar elementos constituyentes más comunes y menos tóxicos, como el sodio. Encontrado en abundancia en agua salada , la extracción de sodio es mucho menos dañina para el medio ambiente. 

Pilas de sal de litio en Bolivia. Fuente: Dan Lundberg / Flickr 

Eso es una vez que la tecnología pueda refinarse para competir en términos de costos y libra por libra con las baterías de iones de litio. 

¿Cuáles son los beneficios de las baterías de estado sólido?
Ya hemos mencionado algunos de los beneficios clave de las baterías de estado sólido anteriores, pero ¿cuáles son algunas de las otras ventajas importantes de la tecnología? 

- Carga más rápida: por un lado, las baterías de estado sólido tienden a proporcionar una velocidad de carga mucho más rápida. Dependiendo de la tecnología, algunos pueden ofrecer una carga hasta seis veces más rápida que la de las baterías recargables de iones de litio. De hecho, si la investigación sobre SSD cuánticos finalmente resulta exitosa, es posible que se carguen baterías de estado sólido casi instantáneamente. 
- Mayor densidad de energía: otro beneficio potencial de las baterías de estado sólido es una densidad de energía significativamente mayor. Para algunas soluciones, esto puede ser hasta el doble que el de las baterías de iones de litio para el mismo volumen.
- Ciclo de vida mucho mayor: uno de los principales beneficios de las baterías de estado sólido es su potencial para una vida útil de carga, descarga y recarga más prolongada. Esto puede durar hasta diez años, en comparación con los dos más modestos de las alternativas más tradicionales.
- Tasas de fuga reducidas (autodescarga): otro beneficio potencial de las baterías de estado sólido es su menor corriente de fuga. 
- Pueden hacerse más pequeñas y más baratas (en teoría): las baterías de estado sólido pueden ser más pequeñas que sus alternativas comparables de iones de litio. 
- Seguridad: el principal beneficio de las baterías de estado sólido es, sin lugar a dudas, su relativa seguridad. Tampoco producen gas hidrógeno.

¿Cuáles son los usos potenciales de las baterías de estado sólido?
Una de las aplicaciones principales para las baterías de estado sólido exitosas será la industria de los vehículos eléctricos. Las baterías de estado sólido ofrecen potencialmente un peso reducido, mayor confiabilidad, alcance, seguridad y una tasa de recarga reducida en comparación con las baterías líquidas. En conjunto, estas ventajas  revolucionarían efectivamente la industria de los vehículos eléctricos

Fuente:  E-pit / Hyundai Motor Group

Dado que se espera que las ventas de vehículos eléctricos alcancen hasta el 32% del mercado automotriz total para 2030, el impulso hacia baterías más eficientes, confiables y de mayor duración está creciendo rápidamente. Esto generará una gran demanda de suministros de litio en todo el mundo, lo que probablemente infle los costos de fabricar baterías nuevas en el futuro (a menos que se desarrollen formas de reciclar baterías de litio viejas de manera segura y confiable ). 

Para superar este posible cuello de botella en el suministro de baterías, muchas empresas automotrices están buscando alternativas más económicas y sostenibles, como las baterías de estado sólido. 

Por ejemplo, Toyota anunció recientemente que planea agregar baterías de estado sólido a sus nuevos vehículos a partir de este año. Según un informe publicado por Nikkei Asia, esto podría permitir que sus vehículos eléctricos ofrezcan un alcance de 500 km con una sola carga junto con una recarga rápida de cero a completa en 10 minutos.

Otras opciones para las industrias de energía solar y de vehículos eléctricos incluyen el uso de un híbrido entre baterías tradicionales y de estado sólido. Un ejemplo notable son las baterías a base de sal. Una especie de batería de estado casi sólido (QSS), estas baterías experimentales utilizan sales como electrolito y separador de la batería. 

Esta solución es interesante ya que es potencialmente muy segura, "ecológica", asequible y totalmente reciclable. Un proyecto de investigación en colaboración entre la Universidad de Nottingham, Reino Unido, y seis instituciones de investigación en China anunció recientemente un gran avance en esta área

Fuente:  3alexd / iStock

Sobre la base de las pruebas que utilizan sales fundidas activadas por calor, el equipo mejoró el diseño utilizando sales sólidas en su lugar. Este cambio fue el resultado de sus hallazgos previos de que las sales fundidas son altamente corrosivas, volátiles y propensas a evaporarse y filtrarse. 

Al convertir las sales líquidas en sales sólidas blandas en presencia de nanopolvos de óxido sólido, su electrolito QSS permitió que las nuevas baterías funcionaran a temperaturas superiores a  800 ºC, aproximadamente la temperatura de los gases de escape típicos de un motor. 

Si su investigación resulta fructífera, podría conducir a una solución novedosa e interesante para soluciones de almacenamiento de baterías más seguras y eficientes para plantas de energía solar y la industria automotriz. Y eso es un comienzo. 

Dado que muchos expertos creen que nos acercamos al comienzo de la adopción masiva de vehículos eléctricos en todo el mundo, ahora podría ser el momento de que brillen las baterías de estado sólido. Cualquiera puede adivinar qué tipos de baterías de estado sólido tomarán la iniciativa, pero el futuro de los dispositivos que funcionan con baterías podría estar al borde de una revolución muy necesaria. 


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