Así serán las baterías de pasado mañana

Alto contenido energético, alto rendimiento, larga vida útil y máxima seguridad, todo ello al menor coste posible: las baterías de los vehículos eléctricos tienen que cumplir estos y otros requisitos, que la tecnología de iones de litio dominante en la actualidad ya satisface. Sin embargo, es posible mejorarlas en casi todos sus parámetros, razón por la que los investigadores y la industria están trabajando intensamente en ello, como es el caso de Porsche a través de sus socios Grupo Cellforce y Group14 Technologies.

Dado que las baterías de iones de litio son sistemas multicomponente, es posible mejorarlas por varias vías. Por ejemplo, el silicio puede sustituir al grafito como material activo del ánodo, porque ofrece una capacidad de almacenamiento diez veces mayor. Como indica Stefanie Edelberg, ingeniera especialista en celdas de baterías de Porsche Engineering, “el silicio es de especial interés porque presenta la segunda mayor capacidad de almacenamiento en términos de peso después del litio, lo que permite celdas con densidades de energía muy altas. Además, es el segundo elemento más común de la corteza terrestre”.

Las inconvenientes a este respecto residen en que las partículas de silicio se expanden un 300%, lo que provoca indeseadas tensiones mecánicas. Por ello conviene recurrir al silicio puro, aunque entonces se presentan “inconvenientes en términos de vida útil”, afirma Edelberg. Se está trabajando, por tanto, en ánodos con una proporción muy elevada de silicio, del entorno del 80%. 

Los esfuerzos se centran también en la optimización de los materiales activos para el cátodo. Lo importante en este caso es la combinación de una gran capacidad de carga y un elevado potencial electroquímico del material. En los próximos años veremos seguramente una mayor proporción de níquel en las baterías, mientras que el cobalto y el manganeso se utilizarán en menor medida. La proporción creciente de níquel puede hacer posible una mayor capacidad de carga. 

El separador es otro elemento con potencial de mejora. Consiste en láminas muy finas (de 10 a 20 micrómetros), en su mayoría de polietileno o polipropileno, que contribuyen a ahorrar espacio y peso. “El separador puede contribuir indirectamente al contenido energético de una celda de batería -explica Edelberg-. Cuanto más fino es, más capas o bobinas de electrodos caben en una celda”.

El mayor aprovechamiento se consigue usando material activo de silicio puro", explica Stefanie Edelberg, ingeniera especialista en celdas de baterías en Porsche Engineering

Por su parte, las baterías de estado sólido, de las que tanto se habla, podrían necesitar mucho menos espacio de instalación que las baterías de iones de litio convencionales. En este punto, “el plan es que el separador clásico se sustituya completamente por una fina capa de electrolitos sólidos”, continúa la ingeniera. “El electrolito sólido es entonces electrolito y separador en uno”.

Al eliminar los electrolitos líquidos y usar al mismo tiempo ánodos metálicos de litio, los investigadores esperan conseguir un aumento de la densidad energética de hasta el 50%, junto con tiempos de carga significativamente más rápidos y la baja inflamabilidad que distingue al electrolito sólido. 

Un aspecto muy relevante que cambiará próximamente tiene que ver con el diseño y el empaquetado de las celdas. La tecnología celda a paquete, por ejemplo, las integra directamente en la batería, con lo que se eliminan las piezas pequeñas existentes en las baterías actuales.

“En lugar de conectar separadamente celdas del tamaño de una tableta de chocolate, ahora las celdas de hasta 1,20 metros de longitud se encapsulan estrictamente cuando se instalan transversalmente en un bastidor, igual que el somier de una cama”, detalla el profesor Maximilian Fichtner, director del Instituto Helmholtz de Ulm y jefe de la Unidad de Investigación de Sistemas de Almacenamiento de Energía del Instituto de Tecnología de Karlsruhe. “El resultado es más capacidad de almacenamiento y mejor refrigeración en menos espacio”.

Recargar en el tiempo de un repostaje

“A medio plazo, podemos esperar que la combinación de la nueva química de ánodos y el denso empaquetado de las celdas permita una autonomía del vehículo de 1.300 kilómetros”, aventura Fichtner. Su colega del Centro de Investigación de Baterías MEET de la Universidad de Munster, Falko Schappacher, espera aumentos de entre el 30% y el 50% en la autonomía de los vehículos eléctricos premium, aunque más importante que ello es, a su juicio, la capacidad de carga rápida. Schappacher confía en que, algún día, la carga rápida hasta el 80% de la autonomía del vehículo no lleve mucho más tiempo que una parada para repostar.

En un modelo como el Porsche Taycan se ha conseguido un tiempo récord de 22,5 minutos para pasar del 5% al 80 % de la batería, según ha especificado Markus Gräf, director de Operaciones del Grupo Cellforce. “Con el silicio como material anódico, pueden alcanzarse valores inferiores a 15 minutos a medio plazo y sensiblemente inferiores a largo plazo”, asegura.

Para aprovechar las ventajas de estos avances se precisarán estaciones de recarga más potentes. Además, las tomas de carga necesitarán una refrigeración activa si se pretende aprovechar con garantías potencias de más de 500 kW. De darse todas estas condiciones, las baterías de iones de litio optimizadas y las de estado sólido permitirán que los sistemas de almacenamiento de energía eléctrica sean mucho más eficientes y que la movilidad eléctrica resulte más atractiva.