El cuarto seco en las instalaciones de Solid Power en Louisville, Colorado, es abrasivamente brillante y, sin embargo, el zumbido bajo y envolvente de los ventiladores y enfriadores es extrañamente relajante. Es aquí, en el área de producción libre de humedad y contaminantes, donde Solid Power produjo sus primeras celdas de batería de metal de litio de estado sólido de tamaño completo. Las celdas, un contraste plateado brillante con su entorno, eran un tiro a la luna.
La tecnología, en teoría, sonaba demasiado buena para ser verdad: un aumento de 10 veces en la potencia (o una caída de 10 veces en el tamaño) de las celdas tradicionales de iones de litio. Solid Power apuntaba a ganancias más modestas en sus primeros prototipos, pero aún podía ver una mejora del 80 por ciento en el futuro cercano. Luego, el 7 de agosto de 2021, tres ingenieros se pusieron “trajes de conejo” de protección Tyvek, entraron en la sala seca y extrajeron voltaje del prototipo de batería de metal de litio más grande hasta la fecha.
Josh Buettner-Garrett, director de tecnología de Solid Power, supervisó desde su oficina. Se sintió confiado, pero un poco aprensivo: “Sabíamos que podíamos hacer algo que pareciera una celda de batería, pero aún existía la posibilidad de que tuviéramos un ladrillo”.
La batería de iones de litio que Solid Power espera hacer obsoleta ya es una maravilla moderna que le valió a sus investigadores clave un Premio Nobel. Y las anteriores pilas de yodo de litio de la década de 1970 duraron años más que las pilas AA, AAA o D de base alcalina existentes, gracias a la inigualable densidad de energía del material. Fueron, por ejemplo, una bendición inmediata para los pacientes con marcapasos, que ahora podían depender de una batería durante 10 años en lugar de dos. Pero el mayor impacto del litio en las baterías se produjo con las baterías recargables de iones de litio en la década de 1990 para dispositivos electrónicos portátiles y automóviles eléctricos.
El litio ha sido el foco de la investigación sobre baterías durante décadas porque es un excelente conductor. Al igual que sus compañeros metales alcalinos en el extremo izquierdo de la tabla periódica, el litio tiene un solo electrón externo que cede fácilmente, dice Jeff Sakamoto, Ph.D., profesor de ingeniería mecánica en la Universidad de Michigan que se especializa en baterías de estado sólido investigar. “Eso crea un voltaje realmente alto”, explica. Y en comparación con otros álcalis, como el potasio o el sodio, el litio tiene el tamaño de ión más pequeño y el tercer peso atómico más bajo en la tabla periódica, lo que significa más electrones y carga para un tamaño de batería determinado.
La densidad de energía de las celdas de iones de litio es hasta cuatro veces mayor que la de las baterías de níquel-cadmio que han reemplazado en gran medida. Las baterías de iones de litio actuales usan un electrolito líquido donde los iones fluyen hacia adelante y hacia atrás entre el ánodo y el cátodo, recargando y descargando electrones (consulte Cómo funcionan las baterías de iones de litio, a continuación). El cátodo (electrodo positivo) es un compuesto de litio y el ánodo (electrodo negativo), que determina el almacenamiento total, es de grafito. Este material es abundante, se conduce bien y es fácil de trabajar. Sin embargo, la capacidad del metal litio es 10 veces mayor que la del grafito.
“El metal de litio es el material de mayor capacidad que conocemos”, dice Jun Liu, Ph.D., director del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico en Richland, Washington. Allí, Liu lidera un consorcio que busca el santo grial de la batería de un vehículo eléctrico: ligero, de carga rápida y resistente a la corrosión. Él cree que lo han encontrado en los recientes avances del metal de litio.
Para aprovechar el potencial del litio, los investigadores han pasado décadas trabajando en los numerosos obstáculos del metal. El principal de ellos, dice Liu, es su reactividad. “La dificultad es que el litio metálico es demasiado reactivo. Puedes pensar en ello como corrosión; si lo pones en contacto con algo, lo corroe todo “.
La forma principal de corrosión del litio en las baterías son las dendritas, que son estructuras de litio ramificadas que crecen desde el ánodo. Las dendritas, que también son un problema para las baterías de iones de litio, pueden perforar partes de la batería y provocar un cortocircuito en la celda. En una batería de iones de litio tradicional con un electrolito líquido, eso puede provocar un incendio. El electrolito líquido es un solvente inflamable que está esperando a ser encendido; es el combustible detrás de los incendios de las baterías en los aviones que han aparecido en los titulares recientes.
Los científicos finalmente encontraron una solución que previno el crecimiento de dendritas y eliminó el riesgo de incendio: un electrolito sólido, a menudo hecho de una cerámica similar a un semiconductor, que reemplazó al electrolito líquido inflamable y bloqueó físicamente el crecimiento de dendritas. Y si las dendritas aún logran atravesar el electrolito cerámico, no hay reactividad inflamable.
Los electrolitos sólidos presentan desafíos adicionales. Deben coincidir con el sello relativamente fácil entre un electrolito líquido y el cátodo y el ánodo; el líquido simplemente se forma alrededor de ellos. El litio es al menos maleable a temperatura ambiente y se puede presionar en las superficies escarpadas de un material, pero aún existe la conexión con el cátodo. Y la naturaleza frágil de la cerámica, que conduce a grietas que favorecen la dendrita, plantea dificultades de fabricación adicionales que empresas como Solid Power han tenido que resolver.
El siguiente obstáculo fundamental es la recargabilidad, dice Neil Dasgupta, Ph.D., profesor de ingeniería y ciencia de los materiales en la Universidad de Michigan que estudia las baterías de metal de litio de estado sólido con Sakamoto. Las baterías de iones de litio cumplen con el estándar de la industria de carga más de 1,000 veces antes de que se degraden significativamente, dice. “Si conecta su teléfono cinco veces a la semana durante cuatro años, ya lo ha cargado más de mil veces”. Solid Power no compartirá cuántos ciclos pueden alcanzar sus prototipos actuales, pero Will McKenna, director de comunicaciones de la compañía, dice que todavía están presionando para superar la barra de los 1000 ciclos.
Gran parte de la investigación emergente sobre baterías de metal de litio se centra en cuántos ciclos de carga pueden soportar las baterías de investigación. Un equipo de la Universidad de Harvard fue noticia en mayo de 2021 cuando publicaron hallazgos de que su celda de metal de litio mantuvo su carga durante la asombrosa cantidad de 10,000 ciclos.
Con 10,000 ciclos, podríamos restablecer nuestras expectativas de duración de la batería, dice Xin Li, Ph.D., uno de los investigadores de Harvard detrás de la batería. “[It] podría durar hasta 25 años o incluso medio siglo “.
Sin embargo, la batería de Harvard es una versión delgada como el papel de una celda de moneda, como la batería de un reloj o de un audífono. Y estas proporciones probablemente no sean las mismas para la mayoría de las aplicaciones comerciales en el futuro, donde las baterías serán mucho más grandes y gruesas, y tendrán diferentes proporciones de materiales.
Sin embargo, los hallazgos de Harvard aún se vuelven más impresionantes. Su celda de batería de metal de litio pudo recargarse en solo tres minutos. Si esta tecnología puede llegar a los vehículos eléctricos, eso significaría poder recargar un automóvil en el mismo tiempo (o menos) requerido para llenar un tanque de gasolina. La mayoría de los vehículos eléctricos necesitan actualmente al menos tres horas para recargarse.
El mundo vio por primera vez un vehículo eléctrico de batería de estado sólido en los Juegos Olímpicos de Tokio, donde Toyota, en colaboración con Panasonic, equipó una flota de sus prototipos LQ. Los LQ en forma de burbuja se podían ver después de los maratones masculinos y femeninos e incluso protagonizaron comerciales para los Juegos Olímpicos reprogramados.
Estas demostraciones son emocionantes, a pesar de que Toyota no ha dado a conocer más detalles sobre las baterías del LQ, pero todavía estamos a años de ver una batería de metal de litio llegar a una sala de exhibición. El director ejecutivo de Solid Power, Doug Campbell, dice que a la compañía le faltan cinco años para colocar sus baterías en los vehículos de consumo: BMW y Ford se han asociado como socios. El objetivo actual de la empresa es una batería OEM que tenga casi el doble de la densidad de energía de las celdas automáticas actuales y que se cargue al 90 por ciento en solo 10 minutos. La compañía, agrega, está años por delante de la mayoría de sus rivales, gracias a su investigación sobre la adaptación de la tecnología de fabricación de iones de litio existente.
“La mayoría de los otros grupos, con la excepción de unos pocos gigantes con sede en Asia, todavía están arraigados en esa fase de investigación y desarrollo”, dice Campbell. Toyota, por ejemplo, dice que es probable que su batería de estado sólido llegue en 2025, sin automóvil incluido. Sakamoto dirige una puesta en marcha de baterías de estado sólido, además de su trabajo en la Universidad de Michigan, y dice que el impulso reciente para desarrollar baterías de metal de litio surgió después de que los vehículos eléctricos se volvieron viables y demandados. “Me sorprende lo rápido que se encendió una luz y esta avalancha de apoyo financiero e interés en las baterías de estado sólido”, dice. “Todavía no hay un producto comercial, pero hay toda esta inversión”.
El impulso por las baterías de estado sólido puede brindarnos un mundo en el que los vehículos eléctricos se recarguen en minutos y las baterías de marcapasos duren medio siglo. Solo queda la cuestión de cuándo llegaremos allí.
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