Baterías de electrolito sólido: ¿la próxima gran novedad?

Las pilas con un electrolito sólido prometen altas densidades de energía. Así, las baterías de los coches eléctricos podrían ser más pequeñas y ligeras, y la autonomía podría aumentar. Pero cuándo es una pregunta abierta que aquí tratamos de responder.

Nuestro colaborador Christoph M. Schwarzer habló con expertos para analizar la situación actual para electrive. Si las baterías de estado sólido llegarán a la producción en serie y cuándo, es una cuestión abierta que las empresas se apresuran a cerrar. "Hemos entrado en una nueva era", anunció Shigeki Terashi en junio. Según el alto directivo de Toyota, los avances han superado las expectativas. Quieren presentar una batería con electrolito sólido para los Juegos Olímpicos de Tokio 2020. La declaración provocó euforia: La cultura corporativa japonesa prefiere el eufemismo. Si Toyota habla de un gran avance, entonces debe haber algo de cierto. Y efectivamente, la producción en serie de una batería totalmente de estado sólido supondría una revolución en la química celular que hasta ahora sólo se ha desarrollado evolutivamente. Sin embargo, todos los implicados están muy lejos de conseguirlo.

Un vistazo a la letra pequeña de Toyota también lo demuestra. El anuncio de varias cooperaciones había motivado la declaración de Terashi. Entre otras cosas, Toyota planea establecer una empresa conjunta para el desarrollo de baterías de estado sólido "para finales de 2020" con su socio de siempre, Panasonic, que fabrica las baterías de níquel-hidruro metálico para los coches híbridos de la empresa. Esta cuidada formulación muestra por sí sola lo lejos que se está de la producción en serie. Sin embargo, la industria y los investigadores están de acuerdo: las oportunidades son grandes y el potencial del estado totalmente sólido es extraordinario.

Un criterio de evaluación vital para las pilas es la densidad energética. Hay que diferenciar entre la unidad gravimétrica vatios-hora por kilogramo (Wh/kg) y la unidad volumétrica vatios-hora por litro (Wh/l). Las células típicas tienen 250 Wh/kg y más de 600 Wh/l. Ambos parámetros son esenciales: el peso porque refleja la peor desventaja de las baterías, es decir, el uso extremo de materiales. Según BMW, un buen 60% de la energía eléctrica se recupera durante la deceleración, pero esto también significa que se pierde más de un tercio. El lastre de un coche eléctrico es, por tanto, menos importante que el de un vehículo convencional, pero tampoco es en absoluto indiferente desde el punto de vista energético. La densidad volumétrica de la energía, por otra parte, es relevante, ya que la tendencia hacia una capacidad cada vez mayor amplía el espacio necesario para su instalación. Como en el caso del kit de electrificación modular de Volkswagen (MEB), este espacio se encuentra mejor entre los ejes pero es naturalmente limitado.

Hasta un 70% más de densidad energética volumétrica

La introducción de electrolitos sólidos podría aumentar la densidad energética gravimétrica en un 40% y la volumétrica en un 70%, explica el Dr. Johannes Kasnatscheew, del Forschungszentrum Jülich, en la entrevista con electrive. El científico trabajó primero en electrolitos líquidos y ahora es especialista en baterías de electrolito sólido: "Buscamos el material que permita el mejor compromiso". Existen electrolitos inorgánicos, como la cerámica y el vidrio, y orgánicos, como los polímeros. Ambos tienen ventajas e inconvenientes.

Una conductividad razonable, una gran robustez mecánica, pero unas resistencias de contacto muy elevadas durante la carga y la descarga caracterizan a los electrolitos sólidos inorgánicos. La corriente que fluye sigue siendo muy baja. Los electrolitos sólidos orgánicos, en cambio, tienen menos resistencias de contacto, pero una conductividad baja. En los congresos, los científicos siguen debatiendo la idoneidad de los compuestos. En la actualidad, los electrolitos sólidos cerámicos inorgánicos a base de sulfuro son los favoritos en cuanto a conductividad.

El ánodo de metal de litio es la clave

En las pilas actuales, el electrolito líquido es el medio inactivo en el que los iones de litio migran entre el cátodo y el ánodo. Sin embargo, lo más destacado de los electrolitos sólidos no es la simple sustitución en el sentido de un intercambio: "Con los electrolitos sólidos, podemos realizar litio metálico en lugar de ánodos basados en grafito", explica el Dr. Johannes Kasnatscheew. Sólo así lograremos avances significativos en la densidad energética".

Si esto funcionara, también mejoraría drásticamente el uso de energía en la producción y, por tanto, el balance de CO2: Hoy en día, el secado es un proceso complejo y que consume mucha energía. Esto sería al menos superfluo en el lado del ánodo cuando se utilizan electrolitos sólidos porque la lámina es de metal de litio. Esto también reduce la toxicidad.

Cuando se le pregunta cómo califica las perspectivas de aplicación, Kasnatscheev responde diplomáticamente: "Los electrolitos sólidos son muy prometedores, pero siguen siendo un reto".

El éxito de las baterías de electrolito sólido es dudoso

Electrive habló con otros expertos del sector. Esperan no ver ni la producción en serie ni la instalación en un coche de serie antes de 2025. Hasta ahora, no ha habido ninguna muestra de baterías de electrolito sólido que pueda superar a los productos actuales en cuanto a sus propiedades. Además, primero habría que demostrar cómo se pueden producir ánodos de metal de litio puro de forma segura y en masa.

Al mismo tiempo, está claro que se están construyendo miles de millones de pilas de iones de litio con electrolitos líquidos sin dificultades significativas. Su desarrollo tampoco se detiene; hay una mejora evolutiva permanente. La sustitución de la actual generación de iones de litio, según un experto, no está en discusión.

Sin embargo, la investigación y el desarrollo de las baterías totalmente de estado sólido no pertenecen al reino de los cuentos de hadas de los milagros prometedores. La seriedad con la que trabajan muchas personas en todo el mundo y la transparencia exigida por los institutos científicos no son garantía de éxito, sino la prueba de que existe una esperanza racional bien fundada de cambio y de la Próxima Gran Cosa.

Reportaje de Christoph M. Schwarzer.