Las baterías de iones de litio están alcanzando su techo de rendimiento, especialmente en lo que refiere a la densidad de energía que pueden ofrecer. Sin embargo, un cambio en los materiales utilizados en el ánodo, metal de litio o silicio, podría proporcionar una mejora gradual de la densidad energética, lo que mantendría esta tecnología como la preferida de los fabricantes de vehículos eléctricos.
Una esperanza que se ve reflejada en la gran cantidad de empresas emergentes que desarrollan materiales de ánodo, la mayoría centradas en el silicio, en comparación con otras áreas de desarrollo de baterías de iones de litio, según ha analizado la consultora IDTechEx en un nuevo informe (Advanced Li-ion and Beyond Lithium Batteries 2022-2032: Technologies, Players, Trends, Markets).
Ánodos de silicio
La razón de este interés proviene del hecho de que el silicio tiene el potencial de aumentar significativamente la densidad de energía de las baterías. Su capacidad es un orden de magnitud mayor que la del grafito que es el que se emplea actualmente para crear la estructura del ánodo. A nivel de celda, la densidad de energía podría casi duplicarse, brindando unos beneficios obvios en la autonomía de los vehículos eléctricos.
Además, el silicio también puede mejorar otras tecnologías de baterías asociadas al litio como las de litio ferrofosfato (LFP), lo que reduciría su diferencia en cuanto a capacidad de almacenamiento de energía respecto a las celdas de tipo níquel-manganeso-óxido de cobalto (NMC) y minimizando su desventaja principal. Según los cálculos de IDTechEx la incorporación de un 20 % de silicio en un ánodo podría mejorar la densidad de energía en un 17 %.
El problema que surge cuando el silicio se emplea como material del ánodo es su alta degradación, lo que se traduce en una escasa vida útil para la batería. Los cambios de volumen que sufre el ánodo durante los ciclos de carga y descarga conducen al consumo del electrolito y del litio y provocan tensiones mecánicas que finalmente se traducen en la pérdida de conductividad eléctrica e iónica. Incorporar porosidad, aditivos electrolíticos y redes conductoras y aglutinantes son solo algunas de las soluciones que se están desarrollando.
Por otro lado, con la incorporación del silicio se reduce el riesgo de formación de dendritas, mientras que la porosidad y los aditivos conductores que generalmente se necesitan, ayudan aún más con la capacidad de carga rápida y el funcionamiento a bajas temperaturas. En general, los ánodos de silicio se presentan como una propuesta muy prometedora, haciendo que las diferentes empresas que los utilizan anuncien celdas con ciclos de vida razonables , demostrando que el inconveniente clave del silicio está cerca de ser superado.
Ánodos de metal de litio
Los ánodos de metal de litio también son una tecnología muy prometedora para mejorar la densidad de energía, pero, al igual que los de silicio, su hándicap está en el corto ciclo de vida que ofrecen. También corren un mayor riesgo de formación de dendritas y cortocircuitos.
Su uso junto con electrolitos de estado sólido se está desarrollando ampliamente como una solución a estos problemas, pero también se están explorando diseños que utilizan una barrera protectora delgada y un electrolito líquido estable como un medio para habilitar ánodos de metal de litio.
Otros factores
Una vez resueltos algunos de los desafíos técnicos y de rendimiento de los ánodos de silicio y de metal de litio, la clave de su éxito está en su fabricación a escala y en su integración en los procesos de fabricación de baterías actuales. Con ventajas y desventajas similares, en última instancia, la pregunta no será sobre el uso de silicio o el metal de litio, sino sobre su implementación para una determinada aplicación.
Más allá de la densidad de energía, otro parámetro como la velocidad de carga se convierte en una métrica clave para elegir uno u otro material para el ánodo. Mientras que los de silicio pueden ser muy adecuados para la carga rápida y los avances en las celdas basadas en metal de litio sugieren que también se están realizando mejoras, aunque el rendimiento debe verificarse en diseños de celdas comercialmente relevantes.
Predicciones de IDTechEx
Los vehículos eléctricos requieren una capacidad de carga muy rápida y una vida útil muy larga, más allá de los 1.000 ciclos de carga y descarga, que generalmente son posibles con ánodos de silicio y de metal de litio. Si o Li. Empresas como Toshiba , Echion y Nyobolt están desarrollando nuevos materiales para el ánodo basados en niobio y óxidos de tungsteno, que prometen tiempos de carga de entre cinco y seis minutos, decenas de miles de ciclos de vida, pero con densidades energéticas inferiores a las celdas LFP, lo que los descarta para su uso en vehículos eléctricos.
Según IDTechEx, el grafito, seguido del silicio y el metal de litio serán los materiales clave para los ánodos durante la próxima década. Su informe pronostica es que la demanda de material de ánodo de silicio, por peso, crecerá a una tasa compuesta anual del 45 % entre 2022 y 2032.
