El silicio lleva años destacando entre los candidatos a transformar las baterías de los coches eléctricos en base a que puede almacenar mucho más litio que el grafito, utilizado habitualmente en los ánodos. El problema está en que cuando la batería empieza a trabajar, el material cambia de volumen considerablemente durante las cargas y descargas, una expansión que acaba por deterior la celda mucho antes de lo deseable.
Un equipo de investigadores del Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE ha conseguido avanzar precisamente en este punto, y 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.
La ventaja del silicio está en la cantidad de energía que puede almacenar por unidad de masa, de manera que 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.
Y es aue durante la carga, los átomos de litio penetran en el material del ánodo y el silicio puede aumentar enormemente de volumen, y 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.
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.
Las celdas de prueba han alcanzado 280 Wh/kg, que no es una cifra teórica obtenida únicamente a nivel de material, sino la densidad energética de la celda completa fabricada por Fraunhofer, que considera 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.
Así las cosas, 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. Las pruebas han dejado además una conclusión relevante para el futuro diseño de los paquetes de baterías.
El resultado indica que la química por sí sola no resolverá todos los problemas, de manera que la arquitectura física de la celda y del propio paquete también tendrá que adaptarse a estos ánodos. En este sentido, Fraunhofer detectó 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, un detalle importante, ya que obliga a evaluar estas celdas bajo condiciones próximas al uso real y no únicamente mediante ciclos de laboratorio favorables.
Este avance no significa que una nueva generación de coches eléctricos con ánodos dominados por silicio vaya a llegar inmediatamente al mercado, ya que 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, un formato mucho más próximo a una celda industrial que las pequeñas celdas de laboratorio empleadas habitualmente en investigación.
El cambio se concentra fundamentalmente en aumentar de manera sustancial la proporción de silicio dentro del ánodo, lo que aporta una lectura industrial para el Viejo Continente debido a que el grafito continúa siendo una materia prima estratégica para las baterías. En este sentido, 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.
