Las baterías sólidas son una gran promesa tecnológica para la industria del automóvil, por ofrecer unas propiedades que superan con mucho a las actuales baterías con electrolito líquido. Sin embargo, todo este potencial queda limitado por la degradación que se produce en sus electrodos en los ciclos de carga y descarga, lo que acorta su vida útil. Este inconveniente, que por ahora está siendo complicado de superar, podría solucionarse con un nuevo material para el cátodo que es capaz de retener todo su volumen durante cientos de ciclos.
Las celdas de las baterías de litio actuales están formadas por dos electrodos, cátodo y ánodo, entre los que circulan los iones, que viajan por un electrolito líquido. Técnicamente, esta arquitectura está llegando al final de su potencial de desarrollo. Para finales de esta década, se prevé que sea reemplazada por una nueva tecnología, basada en la sustitución de este electrolito líquido por un sólido.
Además de una mayor seguridad, ya que se evita en gran medida la probabilidad de incendios, estas nuevas baterías también ofrecerían una mayor densidad energética y admitirían altas potencias de recarga. Es decir, se aumentaría la autonomía (o se reduciría el peso de la batería para mantenerla) y se requeriría menos tiempo de espera para recuperarla.
Sin embargo, este tipo de baterías se enfrenta a un problema que, por ahora, las hace inviables para su uso general en vehículos eléctricos: su inestabilidad. El movimiento de los iones entre los electrodos hace que estos se expandan y encojan lo que, en última instancia, supone una alteración química del dispositivo.
Un nuevo material para el cátodo
Un equipo internacional de científicos dirigido por el profesor Naoaki Yabuuchi, de la Universidad Nacional de Yokohama, en Japón, ha diseñado un nuevo electrodo para estas baterías que, según afirman, ofrece una estabilidad sin precedentes.
El material empleado es titanato de litio y dióxido de vanadio de litio triturado en partículas de tamaño nanométrico. Utilizado como electrodo positivo en la batería, ofrece una alta capacidad para que los iones de litio se inserten y se extraigan de forma reversible durante la carga y la descarga.
El resultado es un material que retiene el mismo volumen durante esta operación eliminando la degradación. Según el equipo de investigadores, este efecto se produce gracias al delicado equilibrio que se produce entre los iones de litio que salen y los iones de vanadio que migran desde su posición original para llenar los espacios vacíos que dejan.
"Cuando la contracción y la expansión están equilibradas, la estabilidad dimensional se mantiene mientras la batería se carga o descarga", explica el profesor Yabuuchi. "Anticipamos que se podría desarrollar un material dimensionalmente invariable, uno que retenga su volumen en el ciclo electroquímico, optimizando aún más la composición química del electrolito".
Este nuevo material se ha puesto a prueba en el laboratorio formando parte de una celda de batería de estado sólido. Los resultados obtenidos son muy prometedores por su alta capacidad energética, 300 mAh/g, y porque no sufrió degradación durante los 400 ciclos de carga y descarga a los que fue sometida.
"La ausencia de degradación de su capacidad durante estos 400 ciclos indica un rendimiento superior de este material en comparación con el que ofrecen otras celdas de estado sólido fabricadas con materiales en capas", indica el profesor asociado y autor del estudio publicado en la revista Nature Materials, Neeraj Sharma.
Siguientes pasos
El equipo continuará refinando el material para construir diferentes tipos de baterías para que sean adecuadas a las necesidades de los vehículos eléctricos. El empleo de esta solución daría como resultado un aumento de su seguridad y su vida útil. Para la industria del automóvil, supondría un antes y un después en el desarrollo de sus productos, ya que se eliminan muchos de los inconvenientes principales para que los conductores se decidan por adquirir un vehículo eléctrico. Entre ellos, la autonomía, la velocidad de recarga, la seguridad y también el precio.
"Esta tecnología podría reducir drásticamente los costes asociados a la producción de las baterías", asegura Yabuuchi. "El desarrollo de las baterías sólidas de alto rendimiento puede conducir a la fabricación de vehículos eléctricos avanzados. En el futuro, por ejemplo, puede ser posible cargar completamente un vehículo eléctrico en tan solo cinco minutos".
