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Baterías para vehículos eléctricos más seguras: tecnología de litio metálico con electrolito sólido

Frédéric Aguesse y María Martínez, Project coordinator y Group Leader , y Work Package Leader en SAFELiMOVE y Research Associate en CIC energiGUNE

En el contexto actual donde cada vez se requiere una mayor disminución del uso de los combustibles fósiles, merece la pena recordar que la Comisión Europea propuso una reducción del 30% en la emisión de CO2 de los vehículos para 2030. El proyecto SAFELiMOVE está llamado a marcar una posición de vanguardia. Su objetivo, en el que ya se ha comenzado a avanzar, es abrir la puerta al desarrollo de materiales y prototipos para la próxima generación de baterías basadas en litio metálico combinadas con un electrolito en estado sólido, que las convertirán en piezas altamente seguras, fiables y de alto rendimiento para los futuros vehículos eléctricos. 

 

El proyecto SAFELiMOVE es una iniciativa financiada por la Unión Europea que involucra a 14 socios europeos y uno canadiense. Este consorcio, liderado por CIC energiGUNE, Centro de Investigación localizado en Vitoria-Gasteiz y miembro del Basque Research & Technology Alliance (BRTA), está formado por actores clave de la UE en el sector de las baterías, desde productores de materiales industriales (Schott, Umicore, Hydro-Quebec), fabricantes de baterías (Saft) y centros de I+D+I del BRTA (CIC energiGUNE, Ikerlan, Cidetec), pasando por centros de investigación internacionales como CEA y universidades (Universidad de Berlín, Universidad de Aachen) y alcanzando hasta la industria automotriz (Renault, Toyota). Como resultado, un ecosistema integral que abarca todos los campos de conocimiento y cubre por completo la cadena de valor.

El mercado actual está dominado por la tecnología convencional de baterías de iones de litio que utiliza electrolito líquido, pero a nadie escapa que esta tecnología está alcanzando sus límites teóricos en cuanto a densidad energética. SAFELiMOVE se centrará en la tecnología de litio metálico en vez de grafito, ya que tiene un potencial superior -alta capacidad específica- y actualmente está menos explorada. Además, combinada con un innovador cátodo rico en níquel, tiene la ventaja de operar a alto voltaje (> 4.3 V), proporcionando una alta densidad energética (450 Wh/kg y 1200 Wh/L) y un coste moderado para la aplicación en vehículos eléctricos.

Uno de los retos con los que se encuentra la tecnología actual de las baterías de estado sólido que utiliza litio metálico es la densidad energética limitada debido al uso de un electrolito polimérico que es inestable por encima de 4.0 V. Además, la necesidad de operar la batería por encima de 70 °C hace que se requiera un sistema de calefacción externo para mantener esta temperatura, reduciendo la eficiencia energética de la batería con el tiempo y haciéndola menos atractiva para los usuarios.

Sin embargo, al reemplazar el electrolito líquido por un electrolito sólido híbrido de cerámica y polímero, se mejorará la seguridad intrínseca de la celda, evitando riesgos de fuga de disolventes tóxicos e inflamables. En consecuencia, las baterías SAFELiMOVE requerirán menos características de seguridad externas, lo que abre la oportunidad de ser construidas utilizando módulos más simples y estructuras de empaquetado a un costo menor. Esto supone una gran ventaja competitiva sobre la competencia mundial -principalmente asiática-, que fortalece de manera sostenible a la Unión Europea como líder tecnológico y de fabricación de baterías.

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Además, la puesta en marcha de esta iniciativa, acarreará la consecución de otros objetivos complementarios, no menos relevantes. Por un lado, se facilitará el desarrollo de una batería con densidades energéticas gravimétrica y volumétrica hasta 2 veces más altas que las que se encuentran actualmente en el mercado (450 Wh/kg y 1200 Wh/L versus 240 Wh/kg y 600 Wh/L). En segundo lugar, la pieza obtenida será fácilmente adaptable para operar a temperatura ambiente (frente a los 80 °C requeridos para un paquete de baterías comercial que utiliza litio metálico) mediante la incorporación de un electrolito híbrido de cerámica y polímero altamente conductor iónico, capaz de cubrir las condiciones de funcionamiento típicas de los vehículos eléctricos.

En tercer lugar, el proyecto permitirá la identificación de una tecnología segura basada en un concepto de batería de estado sólido que posibilita trabajar con ánodos de litio metálico de alta capacidad específica. Esto disminuirá el riesgo de reacciones secundarias, inestabilidades e incendios derivados del uso de electrolitos líquidos convencionales. De la misma manera, se dará un impulso decisivo a la consolidación de una tecnología sostenible basada en la disminución de la dependencia de las materias primas críticas como el cobalto (disminuido en el material activo a solo un 5%) y libre de grafito (ánodo de litio metálico).

Asimismo, se registrará previsiblemente un aumento de la competitividad en comparación con las tecnologías de baterías actuales, que resultará de la combinación de materiales innovadores y de alto rendimiento con un diseño de celda eficiente y rentable y, lo que es más relevante aún, se abrirá la puerta a una nueva tecnología para la fabricación a escala industrial de baterías en estado sólido. Sin olvidar, por último, que todo este proceso finalizará con el desarrollo de una batería que dará respuesta a las necesidades de los consumidores, con cargas rápidas, suficiente autonomía y una vida útil más amplia.

Por otra parte, el proyecto SAFELiMOVE pone el foco también en la superación las actuales tecnologías de baterías para vehículos eléctricos, desarrollando y demostrando la validez de un prototipo preindustrial, una nueva tecnología de batería de estado sólido de propiedad europea centrada en litio metálico, materiales de cátodo de alto voltaje y electrolitos sólidos híbridos. En otras palabras, gracias a SAFELiMOVE se desarrollará una nueva tecnología más segura y rentable (<100 €/kWh desde una perspectiva de producción de alto volumen hacia 2030), con un ciclo de vida prolongado y capaz de operar a temperatura ambiente gracias al electrolito solido híbrido. Además, esta batería permitirá aumentar la densidad energética, seguridad y asequibilidad de los vehículos eléctricos, para cumplir con los requisitos de autonomía de conducción, vida útil de la batería, tiempo de carga y potencia en la descarga requeridos por los usuarios de vehículos eléctricos. Un paso decisivo, también, hacia la descarbonización del transporte.

En consecuencia, el proyecto europeo liderado por CIC energiGUNE tendrá la capacidad de abordar todos estos aspectos y proporcionará nuevas herramientas de análisis y posicionamiento. Entre ellas, la evaluación del potencial de ampliación de la capacidad de fabricación de baterías en Europa, incluida la evaluación de la cadena de producción de baterías de estado sólido, modelos de coste, protocolos de estandarización, evaluación del ciclo de vida y procedimientos de reciclaje.

También ayudará en la identificación del mercado potencial para la explotación y venta de baterías de estado sólido para vehículos eléctricos por empresas europeas y definición de casos de negocio de adecuados, y dará paso a una hoja de ruta de la batería de estado sólido basada en litio metálico para 2030, lo que incluye entre otras cosas, el desarrollo de nuevos materiales y la ruta de optimización del tiempo de vida de la batería.

El proyecto liderado por CIC energiGUNE es la base para construir una colaboración de desarrollo y comercial de este tipo de baterías de estado sólido en Europa. Como se ha mencionado, la iniciativa incluye a todos los socios europeos clave a lo largo de toda la cadena de valor, desde la investigación hasta la industria. En definitiva, gracias a su consorcio, SAFELiMOVE tiene como objetivo fortalecer la cadena de valor dentro de la propia Comunidad Europea hacia la producción de baterías, mediante la creación de una nueva tecnología 100% europea, segura, de mayores prestaciones y coste competitivo, definiendo los próximos pasos a seguir para introducir la tecnología desarrollada en el mercado.

Artículos sobre movilidad sostenible | 19 de junio de 2020

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