Las baterías de estado sólido sin ánodo son una evolución tecnológica en el campo de las baterías que buscan superar las limitaciones de las baterías convencionales de iones de litio, mejorando tanto la densidad energética como la seguridad.
En las baterías convencionales de iones de litio, existen tres componentes fundamentales:
- Ánodo: Donde se produce la oxidación y desde donde los iones de litio fluyen hacia el cátodo.
- Cátodo: Donde ocurre la reducción y los iones de litio se almacenan durante la descarga.
- Electrolito: Medio por el cual los iones de litio se transportan entre el ánodo y el cátodo.
Las baterías de estado sólido reemplazan el electrolito líquido convencional (generalmente un disolvente orgánico con sales de litio) con un electrolito sólido. Este cambio mejora la seguridad, ya que el electrolito sólido es mucho menos inflamable que los electrolitos líquidos tradicionales y elimina el riesgo de fugas. Además, los electrolitos sólidos permiten el uso de materiales más reactivos en los electrodos, aumentando la densidad energética.
Baterías de estado sólido sin ánodo
En una batería de estado sólido sin ánodo, el concepto va un paso más allá: el ánodo, en su estado convencional, no está presente durante el ensamblaje de la batería. En lugar de utilizar un material como grafito o silicio en el lado del ánodo, lo que sucede es que, durante la primera carga de la batería, los iones de litio del cátodo migran a través del electrolito sólido y se depositan directamente sobre el colector de corriente de la batería (que suele ser una lámina delgada de metal, como cobre), formando un ánodo de litio metálico in situ.
Este procedimiento tiene varias ventajas. Al eliminar el ánodo físico durante la fabricación, se reduce el peso y el volumen de la batería. Además, el litio metálico tiene una capacidad de almacenamiento de carga mucho mayor en comparación con el grafito u otros materiales comunes en ánodos, lo que permite aumentar la densidad energética.
La ausencia de un electrolito líquido y la eliminación del ánodo convencional reducen la posibilidad de cortocircuitos y formación de dendritas, una de las principales causas de falla en las baterías de iones de litio. Además, la deposición in situ del ánodo de litio puede resultar en un proceso de carga y descarga más eficiente, reduciendo la degradación del material activo y prolongando la vida útil de la batería.
Problemas que resolver
A pesar de sus promesas, las baterías de estado sólido sin ánodo se enfrentan a desafíos tecnológicos importantes. Uno es el crecimiento de dendritas de litio. Aunque el uso de electrolitos sólidos disminuye la probabilidad de crecimiento de dendritas (filamentos metálicos que pueden provocar cortocircuitos), este problema no se ha eliminado por completo y sigue siendo un área activa de investigación.
El contacto entre el litio metálico y el electrolito sólido debe ser perfectamente uniforme y estable a lo largo del ciclo de vida de la batería. La inestabilidad en la interfaz puede llevar a una rápida degradación del rendimiento.
Por otro lado, algunos electrolitos sólidos tienen una conductividad iónica limitada a temperatura ambiente, lo que requiere que las baterías operen a temperaturas elevadas o que se desarrollen nuevos materiales con mayor conductividad.
En resumen, las baterías de estado sólido sin ánodo representan un avance tecnológico con el potencial de ofrecer baterías más seguras, ligeras y de mayor densidad energética, pero aún existen desafíos a nivel de materiales y fabricación que deben ser resueltos antes de su adopción generalizada.
De sodio
Yambién se están desarrollando baterías de estado sólido sin ánodo basadas en sodio. Este tipo de baterías es una alternativa interesante a las de litio, debido a la abundancia y menor costo del sodio en comparación con el litio. Las baterías de sodio en estado sólido podrían ofrecer beneficios similares a las de litio, como mayor seguridad, densidad energética mejorada y un ciclo de vida más largo, además de tener ventajas económicas y ecológicas debido a la mayor disponibilidad de sodio.
En estas baterías, como en las de litio, el ánodo no está presente al inicio. El sodio metálico se deposita directamente sobre el colector de corriente durante la primera carga. El funcionamiento es muy similar al de las baterías de estado sólido de litio sin ánodo, pero con iones de sodio en lugar de iones de litio.
Pero el sodio es mucho más abundante y económico que el litio, lo que reduce significativamente los costos de producción y hace a las baterías de sodio atractivas para aplicaciones a gran escala, como redes de almacenamiento de energía renovable. Al mismo tiempo, al ser un recurso más accesible geográficamente que el litio, eso podría reducir las tensiones asociadas a la minería y distribución de litio, haciéndolo más sostenible a largo plazo.
Aunque el sodio tiene una menor densidad energética que el litio (debido a su mayor peso atómico), las investigaciones sugieren que con el uso de electrolitos sólidos y la eliminación del ánodo, se pueden mejorar aspectos como la estabilidad y el ciclo de vida, compensando en parte la menor capacidad energética.
Aunque comparten muchos de los inconveientes de las baterías de litio, las baterías de sodio de estado sólido sin ánodo están avanzando rápidamente en investigación, y se espera que puedan tener aplicaciones importantes, especialmente en sectores donde el costo y la disponibilidad de materiales son más importantes que la densidad energética. Estas baterías podrían desempeñar un papel fundamental en sistemas de almacenamiento de energía a gran escala, donde la densidad energética no es tan crucial como en dispositivos móviles o vehículos eléctricos, pero donde el costo y la seguridad son primordiales.
