En los próximos 10 años, las baterías de estado sólido hechas de silicatos de roca serán una alternativa más eficiente, segura y ecológica a las baterías de iones de litio que usamos hoy en día. Investigadores de la DTU han patentado un nuevo material superiónico basado en silicato de potasio, un mineral que se puede extraer de rocas comunes.
Las super baterías del mañana para coches eléctricos están hechas de roca
La batería de tu coche eléctrico determina cuán lejos puedes viajar con una sola carga y qué tan rápido puedes recargar. Sin embargo, las baterías de iones de litio, las más utilizadas en la actualidad, tienen limitaciones en términos de capacidad, seguridad y disponibilidad. El litio es un material caro, perjudicial para el medio ambiente y su escasez puede obstaculizar la transición verde del transporte automovilístico.
Con el aumento del uso de coches eléctricos, es crucial desarrollar una nueva generación de baterías sin litio que sean al menos igual de eficientes, pero más ecológicas y económicas de producir. Esto requiere nuevos materiales para los componentes principales de la batería: ánodo, cátodo y electrolito, así como el desarrollo de nuevos diseños de baterías.
Esta es una área de investigación que ocupa a científicos de todo el mundo, ya que encontrar nuevas «recetas» para las baterías podría reducir significativamente las emisiones de carbono del sector del transporte.
El descubrimiento en DTU
En la DTU, el investigador Mohamad Khoshkalam ha inventado un material con el potencial de reemplazar al litio en las super baterías del mañana: baterías de estado sólido basadas en silicatos de potasio y sodio. Estos son silicatos de roca, que son algunos de los minerales más comunes en la corteza terrestre. Se encuentran en las piedras que recoges en la playa o en tu jardín. Una gran ventaja del nuevo material es que no es sensible al aire ni a la humedad, lo que permite moldearlo en una capa delgada como papel dentro de la batería.
Material superiónico patentado
El potencial del material basado en silicato de potasio es enorme. Es un material barato y ecológico que se puede extraer de los silicatos, que cubren más del 90% de la superficie terrestre. El material puede conducir iones a aproximadamente 40 grados Celsius y no es sensible a la humedad. Esto facilitará la producción y escalado de baterías, haciéndolas más seguras y económicas, ya que la producción puede realizarse en una atmósfera abierta y a temperaturas cercanas a la temperatura ambiente. El material también funciona sin la adición de metales costosos y perjudiciales para el medio ambiente, como el cobalto, que actualmente se usa en baterías de iones de litio para aumentar la capacidad y la vida útil.
El electrolito en una batería puede ser un material líquido o sólido. Permite que los iones se muevan entre el ánodo y el cátodo de la batería, manteniendo la corriente eléctrica generada durante la descarga y carga. La conductividad del electrolito depende de la rapidez con la que los iones pueden moverse. Los iones en los silicatos de roca generalmente se mueven más lentamente que los iones en los electrolitos líquidos basados en litio o en los electrolitos sólidos, ya que son más grandes y pesados. Sin embargo, Mohamad Khoshkalam ha encontrado una receta para un material superiónico de silicato de potasio y un proceso que hace que los iones se muevan más rápido que en los electrolitos basados en litio.
Baterías sólidas de estado: el futuro
Tanto los investigadores como los fabricantes de coches eléctricos consideran que las baterías de estado sólido serán las super baterías del futuro. Toyota ha anunciado recientemente que espera lanzar un coche eléctrico con una batería de estado sólido de litio en 2027-28. Sin embargo, varios fabricantes de coches han anunciado previamente coches eléctricos con baterías de estado sólido, solo para retirarse posteriormente.
Una batería de estado sólido permite que los iones viajen a través de un material sólido en lugar de un líquido, como en las baterías de iones de litio convencionales. Esto tiene varias ventajas: los iones pueden moverse más rápido a través de un material sólido, lo que hace que la batería sea más eficiente y rápida de cargar. Una sola celda de batería puede ser tan delgada como una pieza de cartón, donde el ánodo, el cátodo y el electrolito sólido son capas ultradelgadas de material. Esto significa que podemos hacer baterías más potentes que ocupen menos espacio, lo que ofrece beneficios en la carretera, ya que podrás conducir hasta 1,000 km con una sola carga de 10 minutos. Además, una batería de estado sólido es más resistente al fuego, ya que no contiene líquido combustible.
Desafíos para la comercialización
Antes de ver la batería de estado sólido en el mercado, hay varios desafíos que deben resolverse. La tecnología funciona bien en el laboratorio, pero es difícil y costosa de escalar. La investigación de materiales y baterías es compleja y requiere laboratorios y equipos avanzados. Las baterías de iones de litio que usamos hoy en día tardaron más de 20 años en desarrollarse y aún seguimos mejorándolas.
Además, necesitamos desarrollar nuevas formas de producir y sellar las baterías para que las capas ultradelgadas en la celda de la batería no se rompan y mantengan contacto continuo para funcionar. En el laboratorio, esto se resuelve presionando las capas de la celda de la batería a alta presión, pero es difícil transferirlo a una batería comercial para coches eléctricos, que consiste en muchas celdas de batería.
Tecnología de alto riesgo
A diferencia de las baterías de estado sólido de litio, las baterías de estado sólido basadas en silicatos de potasio y sodio tienen un bajo TRL (Nivel de Preparación Tecnológica). Esto significa que aún queda mucho camino por recorrer desde el descubrimiento en el laboratorio hasta llevar la tecnología a la sociedad y hacer una diferencia. Lo más temprano que podemos esperar verlas en coches eléctricos nuevos en el mercado es dentro de 10 años.
Es una tecnología de alto riesgo, donde la posibilidad de éxito comercial es pequeña y los desafíos técnicos son muchos. No obstante, Mohamad Khoshkalam se muestra optimista: «Hemos demostrado que podemos encontrar un material para un electrolito sólido que sea barato, eficiente, ecológico y escalable, y que incluso rinde mejor que los electrolitos sólidos basados en litio«.
Próximos pasos
Un año después del descubrimiento en el laboratorio de DTU, Mohamad Khoshkalam ha obtenido una patente para la receta y está en el proceso de establecer la start-up K-Ion, que desarrollará componentes de electrolitos sólidos para empresas de baterías. K-Ion es parte de la iniciativa DTU Earthbound, donde reciben apoyo para sacar su investigación del laboratorio más rápidamente y llevarla a la sociedad para hacer un impacto.
El próximo paso para Mohamad Khoshkalam y su equipo es desarrollar una batería de demostración que pueda mostrar a las empresas e inversores potenciales que el material funciona. Se espera que el prototipo esté listo dentro de 1-2 años.
Vía www.dtu.dk
Imágenes: Frida Gregersen
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