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Fraunhofer supera los 1.000 ciclos con ánodos de silicio y acerca las baterías a 330 Wh/kg

Una celda de batería con ánodo rico en silicio ha superado los 1.000 ciclos completos de carga y descarga conservando más del 83% de su capacidad inicial. El avance, logrado por el Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (ISE), acerca esta química a un uso industrial amplio en el coche eléctrico y reduce la dependencia europea del grafito como materia prima estratégica.

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Fotografía que ilustra la noticia: Fraunhofer supera los 1.000 ciclos con ánodos de silicio y acerca las baterías a 330 Wh/kg
(elperiodicodelaenergia.com)

El silicio supera su principal escollo: la degradación

El silicio puede almacenar aproximadamente diez veces más litio por unidad de masa que el grafito, el material habitual en los ánodos. Su problema histórico es que durante la carga y descarga cambia drásticamente de volumen: la expansión puede alcanzar en torno al 300%, frente al 10-12% del grafito, según señala Electrive. Repetido cientos de veces, ese movimiento deteriora las interfaces y acelera la pérdida de capacidad de la celda.

Los investigadores de Fraunhofer ISE, dentro del proyecto StrOboBatt, han fabricado celdas tipo pouch de 25 Ah con 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. Así han logrado ánodos con más de 1.000 mAh por gramo de capacidad específica y 5 mAh/cm² de capacidad areal, valores que permiten plantear celdas con mucha más energía sin aumentar proporcionalmente su masa.

El instituto considera que superar los 1.000 ciclos manteniendo al menos el 80% de capacidad es uno de los objetivos que debe cumplir esta tecnología antes de plantearse una utilización industrial amplia. Las pruebas se han realizado con celdas producidas en una línea semiautomática del centro de almacenamiento eléctrico de Fraunhofer ISE, con 40 capas y 25 Ah de capacidad, un formato mucho más próximo a una celda industrial que las pequeñas celdas de laboratorio habituales en investigación.

280 Wh/kg actuales, 330 Wh/kg posibles en formato industrial

Las celdas de prueba han alcanzado una densidad energética gravimétrica de 280 Wh/kg. No se trata de una cifra teórica obtenida a nivel de material, sino de la densidad energética de la celda completa fabricada por Fraunhofer. El instituto calcula que en una celda pouch optimizada industrialmente podría alcanzarse alrededor de 330 Wh/kg, ya que el formato PrecISE utilizado en las pruebas está pensado para investigación y no para maximizar la relación entre energía y peso.

Esa diferencia de densidad energética puede trasladarse al coche eléctrico de dos formas: almacenar más kilovatios hora en un paquete de masa similar, aumentando la autonomía, o mantener la capacidad actual y fabricar un paquete más ligero, reduciendo peso y consumo. Los 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 su configuración, pero sirve para dimensionar el potencial del silicio si es capaz de conservar esa ventaja durante una vida útil suficientemente larga.

La presión axial, determinante en el comportamiento de la celda

Las pruebas han dejado una conclusión relevante para el diseño de los paquetes de baterías. Los investigadores sometieron las celdas a ciclos completos a una tasa de 1C, es decir, cargas y descargas realizadas aproximadamente en una hora, utilizando dos niveles diferentes de presión axial: 300 y 1.000 kPa. Con 1.000 kPa, equivalentes aproximadamente a 10 bar, las celdas mantuvieron más del 83% de su capacidad después de superar los 1.000 ciclos. Cuando la presión se redujo a 300 kPa, la pérdida de capacidad durante el funcionamiento a 1C aumentó de manera considerable.

La presión externa ayuda a mantener el contacto entre los materiales del electrodo y limita parte de los efectos mecánicos derivados de la expansión y contracción del silicio. El resultado indica que la química por sí sola no resolverá todos los problemas: la arquitectura física de la celda y del propio paquete también tendrá que adaptarse a estos ánodos.

Fraunhofer detectó además 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. Es un detalle importante porque obliga a evaluar estas celdas bajo condiciones próximas al uso real y no únicamente mediante ciclos de laboratorio favorables.

Implicaciones industriales para Europa: menos dependencia del grafito

El avance tampoco significa que una nueva generación de coches eléctricos con ánodos dominados por silicio vaya a llegar inmediatamente al mercado. Queda trabajo en costes, escalado, proceso de fabricación y comportamiento durante periodos prolongados. Además, la composición conserva grafito y utiliza un cátodo NMC rico en níquel, por lo que no se trata de una química completamente nueva que sustituya a las actuales baterías de ion-litio: el cambio se concentra en aumentar de manera sustancial la proporción de silicio dentro del ánodo.

Eso tiene una lectura industrial para Europa. El grafito continúa siendo una materia prima estratégica para las baterías y 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 el continente.

Lo conseguido por el proyecto StrOboBatt resuelve, por ahora a escala de demostración, una de las contradicciones que han acompañado durante años al silicio: aumentar mucho la capacidad del ánodo sin que esa ventaja desaparezca después de unos pocos cientos de ciclos. La combinación de más energía, un peso contenido y una degradación asumible es la que determinará si el silicio pasa finalmente del laboratorio a las baterías de millones de coches eléctricos.