Fraunhofer ISE desarrolló celdas experimentales con ánodos ricos en silicio que conservaron más del 83 % de su capacidad inicial después de las pruebas.
El silicio dio un nuevo paso hacia su posible uso a gran escala en las baterías de los coches eléctricos. Investigadores del Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar (Fraunhofer ISE) fabricaron celdas experimentales que superaron los 1.000 ciclos completos de carga y descarga, manteniendo más del 83 % de su capacidad inicial.
Las celdas alcanzaron una densidad energética de 280 vatios hora por kilogramo (Wh/kg). El resultado se obtuvo en un formato de investigación que todavía no está optimizado para la producción industrial.
El avance forma parte del proyecto StrOboBatt y aborda uno de los principales desafíos del silicio: conservar su capacidad de almacenar energía sin que el material se degrade rápidamente durante el uso. Fraunhofer ISE
¿Por qué interesa el silicio para las baterías?
El silicio es uno de los materiales que se estudian para mejorar los ánodos de las baterías de ion-litio. Su atractivo reside en que su capacidad específica teórica es aproximadamente diez veces mayor que la del grafito, utilizado habitualmente en este componente.
Sin embargo, existe una dificultad: el silicio se expande durante la carga y se contrae durante la descarga. La repetición de esos cambios puede deteriorar el electrodo y acelerar la pérdida de capacidad de la batería.
Para afrontar este problema, el equipo de Fraunhofer no utilizó un ánodo compuesto exclusivamente por silicio. Las celdas combinan un material de silicio y carbono con grafito, junto con un cátodo de níquel, manganeso y cobalto rico en níquel. Fraunhofer ISE
Más energía sin aumentar tanto el peso
Las celdas desarrolladas por Fraunhofer tienen una capacidad de 25 amperios hora (Ah) y están formadas por 40 capas. Fueron fabricadas en formato pouch, una presentación flexible utilizada también en el sector de las baterías.
Los 280 Wh/kg obtenidos corresponden a la densidad energética de la celda completa, no solo a una estimación sobre el material del ánodo. El instituto calcula que una versión optimizada industrialmente podría alcanzar alrededor de 330 Wh/kg, aunque esa cifra sigue siendo una proyección. Fraunhofer ISE
En un vehículo eléctrico, una mayor densidad energética podría permitir almacenar más energía con un peso similar y, potencialmente, aumentar la autonomía. Otra opción sería mantener una capacidad comparable y reducir el peso de la batería.
El resultado final dependería, entre otros factores, del diseño del paquete, el vehículo y sus condiciones de uso. Por ello, el avance todavía no permite calcular cuántos kilómetros adicionales ofrecería un coche concreto.
La presión influye en la vida útil
Las pruebas también mostraron que el diseño físico de la batería es relevante para controlar los efectos de la expansión del silicio.
Con una presión de 1.000 kilopascales aplicada a las celdas, estas conservaron más del 83 % de su capacidad tras superar los 1.000 ciclos completos. A una presión menor, la pérdida de capacidad durante las pruebas más exigentes fue considerablemente mayor.
La presión ayuda a mantener el contacto entre los componentes del electrodo durante los cambios de volumen. Esto indica que, además de mejorar los materiales, los fabricantes tendrían que adaptar la estructura de las celdas y de los paquetes de baterías. Fraunhofer ISE
Todavía queda camino para su producción masiva
Aunque el resultado representa un avance, Fraunhofer ISE aún debe afrontar retos relacionados con el coste, la fabricación a mayor escala y el comportamiento de las celdas durante periodos más prolongados.
La tecnología probada sigue perteneciendo a la familia de baterías de ion-litio. Su principal novedad es el aumento de la proporción de material rico en silicio dentro del ánodo, que continúa incorporando grafito.
Si los resultados pueden reproducirse a escala industrial, esta combinación podría contribuir al desarrollo de baterías con más energía y un peso contenido. También podría reducir parcialmente la dependencia del grafito como materia prima, aunque su llegada a vehículos de producción dependerá de que las mejoras se mantengan con costes y procesos adecuados para la industria automotriz.