Baterías de iones de litio mejoradas para impulsar los vehículos eléctricos
Las baterías de Li-ion se han convertido en una fuente de energía indispensable para los dispositivos eléctricos, que son cada vez más pequeños y portátiles. Debido a sus abrumadoras ventajas sobre otros tipos de baterías —por ejemplo, una mayor densidad de almacenamiento de energía— también han favorecido el desarrollo de una variedad de aplicaciones nuevas que van más allá del área principal de la tecnología, incluidos los vehículos híbridos y eléctricos. Los fabricantes de coches esperan que la mejora de la tecnología de las baterías en términos de rendimiento, coste, seguridad, reciclabilidad, vida útil y peso aumente aún más la autonomía de los vehículos eléctricos y reduzca los costes, lo que, en última instancia, hará que los vehículos eléctricos sean una alternativa más atractiva para los clientes. El objetivo del proyecto SPICY, financiado con fondos europeos, era desarrollar una batería de Li-ion más potente, barata, segura, ligera, duradera y ecológica que satisfaga las necesidades de los conductores de los vehículos eléctricos. El proyecto abordó los procesos de producción y toda la cadena de valor de los materiales utilizados para fabricar las baterías de Li-ion. «El desarrollo de nuevas sustancias químicas y arquitecturas celulares para baterías de Li-ion constituye la única forma de aumentar la capacidad y la densidad energética de las células, dos características que ayudan a incrementar la autonomía de los vehículos eléctricos», señala Willy Porcher, coordinador del proyecto. Nuevos materiales Las innovaciones del proyecto se centraron en el desarrollo de nuevos materiales activos y electrolitos estables, el uso de un disolvente más ecológico en la fabricación, así como la evaluación de arquitecturas y encapsulados celulares nuevos y optimizados utilizando conceptos de diseño ecológico. Se realizaron mejoras en el rendimiento de la densidad energética de materiales de fosfato derivados del fosfato de hierro y litio (LiFePO4) para su uso como electrodo negativo. A pesar de que el LiFePO4 se trata de un material seguro y duradero para su uso en los cátodos, su densidad energética es relativamente baja debido al potencial electroquímico del Fe. Los investigadores mejoraron con éxito el rendimiento electroquímico y la densidad energética del material gracias al empleo de metales de transición con un potencial electroquímico mayor que el del Fe. En este contexto, se han evaluado electrolitos con una mayor ventana electroquímica, como el sulfolano y el adiponitrilo, que mejoraron el rendimiento de los ciclos de carga y descarga de las baterías. Los investigadores han demostrado, asimismo, que el proceso acuoso para la fabricación del cátodo facilita el proceso de reciclaje, lo que favorece la recuperación de más del 50 % de la batería. El equipo ha investigado además nuevos materiales para el ánodo, incluido el silicio compuesto con grafito o en aleación con germanio. El silicio ha sido producido mediante nuevos procesos de síntesis de nanopartículas y estructuras de núcleo-envoltura para mejorar la estabilidad de las partículas. La adición de sales de Li-imida a los electrolitos ha demostrado la estabilidad cíclica de la célula de Li-ion, creando una interfaz más estable entre el electrolito y los electrodos. SPICY ha evaluado cuatro arquitecturas celulares diferentes y ha desarrollado un encapsulado modular a base de materiales compuestos ligeros y un conector de alimentación resistente, que no exhibió resistencia adicional. «Estos dispositivos interconectados y moldeados, combinados con un encapsulado compuesto para las células, darán lugar a sistemas muy compactos con mayores niveles de seguridad, menor volumen y menor coste», señala Porcher. Baterías de bajo coste y alto rendimiento La evaluación del ciclo de vida y el análisis de costes del proyecto ayudaron a abordar las mejores opciones para la fabricación de la próxima generación de baterías de Li-ion para los vehículos eléctricos en Europa. «En nuestra apuesta por minimizar el impacto medioambiental de las baterías, llegamos a la conclusión de que lo mejor es centrarse en mejorar el contenido energético en lugar de seleccionar los materiales con el menor impacto medioambiental», señala Porcher. Gracias al uso de materiales más baratos y al diseño inteligente de las células, el objetivo general del proyecto era reducir los costes de producción de las baterías en un 20 % y aumentar el rendimiento en un 20 %. Mediante la optimización de los costes y la integración de los principios de diseño ecológico, la colaboración multidisciplinaria entre socios industriales, académicos y de centros de investigación debería contribuir a proporcionar una sólida base industrial para que los productores europeos de baterías exploten los mercados internacionales.
Palabras clave
SPICY, vehículo eléctrico, iones de litio (Li-ion), baterías, densidad energética, arquitectura celular, electrodo, encapsulado compuesto, fosfato de hierro y litio
