Las baterías con ánodo de silicio son el próximo gran avance tecnológico en las baterías de litio. Antes de entrar en otras tecnologías como las baterías de electrolito sólido, a medio plazo el ánodo de silicio se postula como la solución ideal para tener baterías con mayor densidad energética, lo que se traduce en baterías más pequeñas y ligeras, o con mayor autonomía, además de permitir cargas más rápidas. Pero, ¿en qué consiste exactamente esta tecnología? ¿Cuáles son sus inconvenientes?
El ánodo es el electrodo de la pila donde se produce la oxidación, o dicho de otra manera, el polo negativo de la pila. Actualmente las celdas de batería tienen ánodos de grafito. Las celdas con mayor capacidad energética ya contienen un pequeño porcentaje de silicio, de entre un 5% y un 10%, y se trabaja para poder utilizar concentraciones de silicio cada vez más altas.
La razón para usar silicio en el ánodo es sencilla: un ánodo de silicio tiene una densidad energética hasta diez veces superior a uno de grafito, el material que suele utilizarse como material activo del ánodo. Esto se debe a la mayor capacidad energética del silicio en relación a su masa y a su volumen. La densidad gravimétrica del silicio es aproximadamente 4200 mA h/g, en comparación con sólo 372 mA h/g del grafito.
Esto significa tener mucha más energía en un mismo espacio, lo que se traduce en baterías con mayor autonomía dado un tamaño determinado; o tener baterías más pequeñas y ligeras para una determinada cantidad de energía. Y con baterías más ligeras, los coches eléctricos también serán más livianos, lo que a su vez reduce el consumo. No sólo eso, el ánodo de silicio también permite hacer cargas mucho más rápidas.
Sila Nanotechnologies es una empresa estadounidense fundada por Gene Berdichevsky y Gleb Yushin. El primero de ellos fue uno de los primeros empleados de Tesla (el séptimo, según su propia biografía) y participó en el desarrollo de la batería del primer Tesla Roadster. Es licenciado en Ingeniería Mecánica por la Universidad de Stanford con Máster en Ingeniería con especialización en energía y materiales, y tras un largo periodo investigando en baterías, su compañía será la encargada de suministrarle baterías con ánodo de silicio a Mercedes-Benz.
Gracias al ánodo de silicio, las baterías de Sila son capaces de almacenar 800 Wh por litro a nivel de celda, una densidad energética entre un 20% y un 40% mayor que las actuales baterías empleadas por Mercedes en sus coches eléctricos. La compañía alemana empezará a utilizar estas novedosas baterías en el Mercedes EQG a partir de 2024 y en el coche de producción derivado del Mercedes EQXX, previsiblemente el futuro Mercedes EQC. En el caso del Mercedes EQXX, su batería almacena aproximadamente la misma cantidad de energía que el EQS actual (unos 100 kWh) pero es un 30% más ligera y ocupa un 50% menos espacio.
Porsche es otro de los fabricantes que comenzará a utilizar celdas de batería con ánodo de silicio en «modelos de pequeñas series, así como en competición y en vehículos de altas prestaciones», en este caso con ánodos fabricados por Group14 Technologies. Las baterías con ánodo de silicio se utilizarán en la próxima generación de deportivos de Porsche, previsiblemente los 718 Cayman y 718 Boxster eléctricos, y en diferentes proyectos de competición. La compañía Group14 Technologies será proveedor de la compañía Cellforce, que fabricará celdas de batería para Porsche a partir de 2024.
Un momento, no todo es perfecto
El ánodo de silicio permitirá tener coches eléctricos más ligeros, con más autonomía y con tiempos de carga mucho más reducidos que los eléctricos actuales. Además, el silicio es el segundo elemento más abundante de la corteza terrestre, sólo por detrás del oxígeno (más del 90% de la corteza terrestre está compuesta de silicatos), así que el suministro parece garantizado. Hasta aquí todo parece ideal, pero como casi todo, también tiene inconvenientes.
El principal inconveniente de utilizar silicio en el ánodo tiene que ver con la expansión volumétrica o hinchamiento que sufre el ánodo durante las cargas y descargas. El hinchamiento del ánodo se produce porque los iones de litio penetran en el ánodo, desplazando a los átomos de silicio y creando una "compresión del litio" que provoca que se hinche aumentando hasta cinco veces su tamaño original. Durante el proceso de carga, cuando los iones de litio salen del ánodo, quedan espacios vacíos conocidos como vacantes, en los que entran algunos átomos de silicio. Sin embargo, también continúan entrando los iones de litio, lo que finalmente conduce al fallo de 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, que al final se traduce en la pérdida de conductividad eléctrica e iónica.
Este problema aparece desde el primer ciclo de carga y descarga. Está demostrado que, después de unos 100 ciclos, el ánodo se destruye pero existe solución. Los investigadores trabajan en descubrir la mejor manera de proteger el silicio del electrolito para crear ánodos viables mediante recubrimientos. Hay más soluciones que están estudiándose, como cambiar la estructura enrollada horizontalmente de una celda de iones de litio convencional o incorporar aditivos electrolíticos y redes conductoras y aglutinantes. Aunque Sila Nanotechnologies no ha revelado qué solución ha empleado (como es lógico), tiene solventado el problema.
Y una vez solucionado el problema, las celdas con ánodo de silicio sufren menos estrés térmico y se reduce la formación de las dendritas, con lo que la vida útil es mayor. Además ofrecen cargas mucho más rápidas que las baterías convencionales con ánodo de grafito. La batería de iones de litio con ánodo de silicio de Enovix ha demostrado que puede recargarse al 80% en tan solo 5,2 minutos y alcanza el 98% en menos de 10 minutos. No sólo eso: soportan 1.000 ciclos de carga y descarga reteniendo el 93% de su capacidad energética.
Hay otro problema con el uso del silicio que no tiene que ver con sus propiedades físicas o químicas, sino con la oferta y la demanda. Como decíamos antes, el silicio es bastante abundante en la tierra, pero también es altamente solicitado. Para el ánodo de las baterías se necesita silicio puro, el mismo que se usa en los microchips y los circuitos electrónicos. Y como ya hemos visto en la crisis de los semiconductores, las empresas tecnológicas están dispuestas a pagar más dinero por los microchips que los fabricantes automovilísticos.
Según IDTechEx, el grafito será uno de los materiales clave para los ánodos durante la próxima década, seguido del silicio y el metal de litio. En uno de sus informes pronostican que la demanda de material de ánodo de silicio crecerá a una tasa compuesta anual del 45% entre 2022 y 2032.
