El silicio da un paso decisivo hacia las baterías del coche eléctrico

El silicio lleva años apareciendo entre los candidatos a transformar las baterías de los coches eléctricos por una razón bastante sencilla: puede almacenar mucho más litio que el grafito utilizado habitualmente en los ánodos. El problema comienza cuando la batería empieza a trabajar. El material cambia considerablemente de volumen durante las cargas y descargas y esa expansión termina deteriorando la celda mucho antes de lo deseable.

Un equipo del Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE ha conseguido ahora avanzar precisamente en ese punto. Sus investigadores han fabricado celdas tipo pouch de 25 Ah con ánodos ricos en silicio capaces de superar 1.000 ciclos completos de carga y descarga conservando más del 83% de su capacidad inicial. Al mismo tiempo han alcanzado una densidad energética gravimétrica de 280 Wh/kg en un formato experimental que todavía no está optimizado para producción. Fraunhofer considera que superar los 1.000 ciclos manteniendo al menos un 80% de capacidad constituye uno de los objetivos que debe alcanzar esta tecnología antes de plantearse una utilización industrial amplia.

Por qué interesa tanto el silicio

La ventaja del silicio está en la cantidad de energía que puede almacenar por unidad de masa. Su capacidad específica teórica es aproximadamente diez veces superior a la del grafito, aunque trasladar esa propiedad a una batería duradera resulta bastante más complicado de lo que sugiere la comparación.

Durante la carga, los átomos de litio penetran en el material del ánodo y el silicio puede aumentar enormemente de volumen. Cuando la batería se descarga vuelve a contraerse. Repetido cientos de veces, ese movimiento favorece la pérdida de contacto dentro del electrodo, deteriora las interfaces y acelera la degradación de la celda. Electrive señala que la expansión puede alcanzar aproximadamente un 300%, frente al 10-12% habitual del grafito.

Fraunhofer ha evitado utilizar un ánodo formado exclusivamente por silicio. Las celdas desarrolladas dentro del proyecto StrOboBatt emplean una combinación de silicio-carbono y grafito, en la que el compuesto rico en silicio representa el 51% del material activo del ánodo. Frente a él se sitúa un cátodo NMC rico en níquel. El resultado son ánodos capaces de superar los 1.000 mAh por gramo de capacidad específica y los 5 mAh/cm² de capacidad areal, valores suficientemente elevados como para plantear celdas con mucha más energía sin aumentar proporcionalmente su masa.

De 280 a unos posibles 330 Wh/kg

Las celdas de prueba han alcanzado 280 Wh/kg. No es una cifra teórica obtenida únicamente a nivel de material, sino la densidad energética de la celda completa fabricada por Fraunhofer. El instituto considera además que existe un margen considerable porque el formato PrecISE utilizado en las pruebas está pensado para investigación y no para maximizar la relación entre energía y peso. En una celda pouch optimizada industrialmente, sus investigadores calculan que podrían alcanzarse alrededor de 330 Wh/kg.

La diferencia puede trasladarse al coche eléctrico de dos formas. Una batería con mayor densidad energética permite almacenar más kilovatios hora dentro de un paquete de masa similar y, por tanto, aumentar la autonomía. La alternativa consiste en mantener la capacidad actual y fabricar un paquete más ligero, reduciendo peso y consumo.

Esos 330 Wh/kg representarían aproximadamente entre un 20% y un 35% más de densidad energética que muchas celdas NMC y NCA actuales, además de acercarse al doble de determinados diseños LFP. La comparación depende del tipo concreto de celda y de su configuración, pero sirve para dimensionar el potencial del silicio si puede conservar esa ventaja durante una vida útil suficientemente larga.

La presión sobre la celda, determinante

Las pruebas han dejado además una conclusión relevante para el futuro diseño de los paquetes de baterías. Los investigadores sometieron las celdas a ciclos completos a una tasa de 1C, es decir, cargas y descargas realizadas aproximadamente en una hora, utilizando dos niveles diferentes de presión axial: 300 y 1.000 kPa.

Con 1.000 kPa, equivalentes aproximadamente a 10 bar, las celdas mantuvieron más del 83% de su capacidad después de superar los 1.000 ciclos. Cuando la presión se redujo a 300 kPa, la pérdida de capacidad durante el funcionamiento a 1C aumentó de manera considerable.

La presión externa ayuda a mantener el contacto entre los materiales del electrodo y limita parte de los efectos mecánicos derivados de la expansión y contracción del silicio. El resultado indica que la química por sí sola no resolverá todos los problemas: la arquitectura física de la celda y del propio paquete también tendrá que adaptarse a estos ánodos.

Fraunhofer detectó además diferencias entre la capacidad que conserva la batería cuando se mide con corrientes relativamente bajas y la energía realmente disponible cuando trabaja a ritmos más exigentes. Es un detalle importante porque obliga a evaluar estas celdas bajo condiciones próximas al uso real y no únicamente mediante ciclos de laboratorio favorables.

Falta para que sea popular

El avance de Fraunhofer tampoco significa que una nueva generación de coches eléctricos con ánodos dominados por silicio vaya a llegar inmediatamente al mercado. Las celdas se han producido en una línea semiautomática del centro de almacenamiento eléctrico de Fraunhofer ISE y tienen 40 capas y 25 Ah de capacidad. Es un formato mucho más próximo a una celda industrial que las pequeñas celdas de laboratorio empleadas habitualmente en investigación, pero todavía queda trabajo en costes, escalado, proceso de fabricación y comportamiento durante periodos prolongados.

La composición también conserva grafito y utiliza un cátodo NMC rico en níquel, por lo que no estamos ante una química completamente nueva que sustituya a las actuales baterías de ion-litio. El cambio se concentra fundamentalmente en aumentar de manera sustancial la proporción de silicio dentro del ánodo. Eso tiene además una lectura industrial para el Viejo Continente. El grafito continúa siendo una materia prima estratégica para las baterías y Fraunhofer señala que los compuestos de silicio y carbono podrían reducir parcialmente esa dependencia, trasladando una mayor parte del valor añadido de la cadena de suministro hacia Europa.

Lo conseguido por el proyecto StrOboBatt resuelve, por ahora a escala de demostración, una de las contradicciones que han acompañado durante años al silicio: aumentar mucho la capacidad del ánodo sin que esa ventaja desaparezca después de unos pocos cientos de ciclos. Los 280 Wh/kg obtenidos ya sitúan las celdas en un nivel elevado. La posibilidad de acercarse a 330 Wh/kg será todavía más relevante si el comportamiento observado después de 1.000 ciclos puede reproducirse en formatos industriales, con los costes y ritmos de producción que exige el automóvil. Esa combinación (más energía, un peso contenido y una degradación asumible) es la que determinará si el silicio pasa finalmente del laboratorio a las baterías de millones de coches eléctricos.