Las baterías que utilizan a día de hoy los coches eléctricos son consecuencia de un importante cambio que se llevó a cabo a finales de los años 90. En aquel momento, la mayoría de fabricantes de baterías de iones de litio decidieron usar grafito para el ánodo de la batería. Y desde entonces así se ha mantenido, a pesar de que los científicos llevan años buscando un sustituto para este material. Pues bien, parece que al fin han logrado un sustituto convincente que no sufra de reacciones parásitas secundarias no deseadas. Un material compuesto de silicio-monóxido-carbono.
Durante los últimos años hemos estado escuchando sobre centenares de mejoras o potenciales mejoras aplicadas a las baterías de los coches eléctricos, pero prácticamente todas ellas tienen que ver con modificaciones del cátodo. Y las restantes tienen que ver con el cambio del electrolito líquido que se utiliza en la actualidad al electrolito sólido que está a punto de implementarse con las conocidas como ‘baterías de estado sólido’. Pero, efectivamente, desde los años 90 se han estado utilizando ánodos de grafito y todos los intentos por sustituir este material por uno alternativo han llevado a reacciones secundarias no deseadas. Cuando se hizo el cambio hacia el grafito se logró una gran estabilidad a largo plazo, durante muchos ciclos de carga y descarga. Sin embargo, a día de hoy la industria del coche eléctrico –y otras que dependen de la industria de las baterías- tienen la necesidad de un ánodo mejor que el actual de grafito.
Un nuevo ánodo para sustituir al grafito y conseguir las ‘baterías de nueva generación’ con capacidades muy superiores a las actuales
Los compuestos a base de silicio son algunos de los materiales preferidos como potencial sustituto del grafito para el ánodo de las baterías. Y esto es así porque tienen una gran tasa de descarga y porque, además, es un material muy abundante en la corteza terrestre. En concreto el monóxido de silicio es prometedor para la próxima generación de baterías de iones de litio de alta potencia. Pero el monóxido de silicio tiene también algunos inconvenientes como su baja conductividad inherente y un importante cambio de volumen después de ciclos de carga y descarga. Se pueden producir variaciones de hasta el 300% a largo plazo y esto se traduce en el desprendimiento de materiales, la destrucción progresiva del ánodo y una pérdida radical de rendimiento.
Pero en esta investigación, que se ha publicado en Nano Research, explican que si el monóxido de silicio se combina con carbono generando un nuevo material compuesto entonces se podrían resolver los problemas que mencionábamos anteriormente y tener, como se pretende, un material idóneo para el ánodo de las baterías de próxima generación. Explica Zhengwen Fu, coautor del estudio, que este compuesto ofrece ‘lo mejor de los dos mundos’, aunque reconoce que hay todavía algunos obstáculos que superar en este desarrollo tecnológico tan prometedor.
En este nuevo compuesto, el carbono tiene el beneficio de la estabilidad estructural y también de una alta conductividad eléctrica. Aunque se ve afectado por cambios de volumen progresivos, son mucho menores. Además tiene una cierta capacidad lubricante y gran flexibilidad que sirven para inhibir la expansión de volumen del silicio. Aquí el problema está en que los ánodos compuestos de silicio-monóxido-carbono sufren de una eficiencia coulombiana que es relativamente baja. Parte del litio reacciona de manera irreversible con el compuesto produciendo ‘productos de degradación’ que forman una capa entre el ánodo y el electrolito. Un proceso parásito de ‘litiación’ que resulta en la pérdida progresiva de litio activo.
Pero también a esto le han encontrado una solución: una novedosa técnica de ‘litiación previa’ por la que en la batería se almacena litio adicional para que así se pueda compensar el litio consumido durante esas reacciones parásitas a lo largo de la vida útil de la batería. Esta técnica, que por cierto está basada en la utilización de un electrolito sólido compuesto de oxinitruro de fósforo y litio con carbono, sirve para evitar las reacciones adversas secundarias no deseadas que se producirían con el litio metálico y, además, también mejoran la interfaz entre el ánodo y el electrolito.
Ahora mismo el equipo de investigación ha conseguido resultados perfectos con su técnica de prelitiación, un nuevo tipo de ánodo y un electrolito sólido pero en formato de ‘pila de moneda’. El próximo reto que tienen por delante es desarrollar una batería de grado industrial que se pueda utilizar en un coche eléctrico y producir en masa. Mientras tanto, este primer desarrollo es lo que necesitaban para poder llevar a cabo sus investigaciones correspondientes y el desarrollo de diferentes formatos de batería en laboratorio.
