Un sprint investigador para activar todas las posibilidades del silicio en las baterías
Empresas y centros de innovación trabajan para mejorar la estabilidad de un material con mucha más capacidad de almacenamiento que el litio
Diez veces más capacidad de almacenamiento que el grafito, el material usado hasta ahora en las baterías de ion litio para propiciar la carga. Esta es la razón para la proyección del uso del silicio en los próximos años, tanto en ‘smartphones’ y dispositivos electrónicos como en los ánodos de las baterías de los coches (sector en el que Volkswagen acaba de anunciar la próxima construcción de una gigafactoría en Sagunto para fabricar baterías para coches eléctricos, con una generación prevista de 3.000 puestos de trabajo) . Y compañías como Sila Nanotechnologies, en Estados Unidos, han confirmado el inicio de producción de sus primeras unidades de baterías con este mineral.
España cuenta con varios centros de investigación en los que se trabaja sobre este mineral, el segundo más abundante en la corteza terrestre y más accesible que el grafito (como en otros muchos casos -por ejemplo, las ‘tierras raras’- , con hegemonía china), ya que está presente en las rocas o arena, y una vez extraído, puede comenzar su ciclo de vida útil. Así lo hacen en Floatech, una ‘spin-off’ de IMDEA Materiales (instituto de investigación adscrito a la Comunidad de Madrid), cofundada por Juan José Vilatela y Richard Schäufele, parte del Grupo de Nanocompuestos Multifuncionales del instituto.
Presente y futuro
Vilatela, ingeniero físico por la Universidad Iberoamericana de México y doctor por la Universidad de Cambridge, destaca la esencia del trabajo con este material: «El silicio contribuirá, gracias a su capacidad de almacenamiento, a la progresiva reducción de los costes de la batería, así como a la reducción en peso y tamaño».
Como señala el investigador, la innovación se centra en depurar procesos para ubicarse en el ‘sitio virtuoso’ mayor fabricación, menor precio… con el reto de la producción sostenible: « El silicio requiere un proceso de transformación en electrodo, para el que en Floatech eliminamos todos los disolventes y procesos de mezclado, por lo que se reducirá la huella medioambiental». Un recorrido en plena ronda de inversión, de cara a construir la primera planta piloto en 2023 y tener producto listo para 2025 (han contado con el apoyo Consejo Europeo de Investigación, a partir de un proyecto de excelencia en investigación).
Eso sí, aunque el silicio llega cargado de ventajas, presenta algún imperativo, como su agrietamiento ante los continuos cambios de volumen propios del proceso de carga y descarga en las baterías de iones de litio. En este sentido, Carmen Morant, catedrática de Física Aplicada en la Universidad Autónoma de Madrid , destaca la importancia de este mineral: «Es muy prometedor como material de ánodo para las baterías de litio, porque es el elemento con mayor capacidad específica-teórica y muy abundante en la naturaleza. Podrá ser muy importante, por ejemplo, en el almacenamiento de las energías renovables. Sin embargo, debido a las enormes variaciones de volumen que se producen en la introducción/extracción de litio en silicio, donde el material aumenta y disminuye su volumen hasta cuatro veces, el ánodo se agrieta, se rompe y la batería pierde estabilidad. Por ello, estamos estudiando cómo aumentar la vida útil de estas baterías a través del uso de materiales en pequeñas dimensiones, como, por ejemplo, láminas delgadas de silicio y nanohilos de silicio».
La solución a este imperativo físico pasa, como señala Morant, «por trabajar con capas mucho más finas de silicio y la fabricación de nanohilos de silicio verticalmente alineados. Para visualizarlo, sería algo similar a las púas de un peine, entre cuyos espacios se puede alojar ese aumento de volumen durante los procesos de carga-descarga». La especialista destaca, además, que hay dos tipos de silicio en este campo: «el cristalino (más caro y no viable comercialmente), y el amorfo, más poroso y que se puede ‘dopar’ con la introducción de materiales para que sea aún más conductor, sobre el que estamos investigando en colaboración con el Grupo Dispositivos de Silicio Depositado, Unidad de Energía Solar Fotovoltaica del Ciemat (Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas)».
En el caso de Marta Cabello, investigadora postdoctoral del grupo de investigación de Prototipado de Celdas de CIC energiGUNE, subraya cómo, hasta ahora, la industria utilizaba cantidades muy bajas de silicio en los ánodos, entre un 5 y 8%. Y destaca la participación de la institución en el proyecto europeo 3beLiEVe, «cuyo objetivo es reforzar la posición de la industria europea de baterías y de la automoción en el futuro mercado de los vehículos eléctricos mediante el suministro de la próxima generación de baterías diseñadas y fabricadas en Europa. En este proyecto se investiga la introducción de silicio en el material anódico».
Este desarrollo del centro, ubicado en el Parque Tecnológico de Álava, estuvo precedido por la participación en otro destacado proyecto europeo Graphene Flagship Core 2, «donde se realizaron investigaciones de ánodos de silicio combinados con grafeno, consiguiendo escalar esta combinación de materiales para su producción en masa».
Nuevos tiempos
En cuanto a la sostenibilidad, Cabello destaca cómo el aumento de la densidad energética de la batería, permitirá disponer de vehículos eléctricos con baterías capaces de ofrecer aún más kilómetros para recorrer con una sola carga: «Además, el impacto medioambiental de la producción a escala industrial de las baterías de iones de litio basadas en ánodos de silicio se reducirá al mínimo , ya que la fabricación y el procesamiento de estos ánodos se hace en medio acuoso, alejándose de los disolventes orgánicos utilizados habitualmente, que son tóxicos y reducen la seguridad de las baterías».
Otra destacada aportación es la de Ferroglobe, la empresa española, junto con Little Electric Cars, seleccionada en el segundo proyecto paneuropeo de investigación e innovación (IPCEI) que abarca toda la cadena de valor de las baterías.
Productor líder mundial de silicio metal y ferroaleaciones silicio-manganeso, atiende a una base de clientes de todo el mundo en mercados dinámicos y de rápido crecimiento, como el solar, el de la automoción, el de los productos de consumo, el de la construcción y el de la energía, con plantas de fabricación en España, Francia, Noruega, Sudáfrica, Estados Unidos, Canadá, Argentina y China (26 centros de producción, con 69 hornos en todo el mundo, y unos 3400 empleados en todo el mundo).
En su Centro de Innovación e I+D (en Sabón, La Coruña) , al lado de la fábrica de silicio metalúrgico, la única en España, Ferroglobe ha impulsado un plan estratégico de innovación para el desarrollo de polvo de silicio (micrométrico y nanométrico) para el ánodo de las baterías de iones de litio. «La compañía (señalan) quiere aportar soluciones al reto actual que tiene la industria automotriz y de la movilidad, como es impulsar una transición hacia tecnologías más sostenibles y climáticamente neutrales. En este contexto, las baterías son una tecnología clave para este cambio, pero es necesario asegurar el suministro de los materiales avanzados necesarios para fabricarlas». Un escenario internacional en el que el silicio se asienta como uno de los materiales esenciales de la próxima década para estrechar la relación entre rentabilidad y sostenibilidad.
