Las baterías de iones de litio están empezando a alcanzar su techo de rendimiento, especialmente en lo que respecta a la densidad energética. Sin embargo, un cambio en los materiales de los ánodos utilizados, concretamente en los ánodos de silicio o de metal-litio, podría suponer una mejora progresiva de la densidad energética.

Su promesa puede ponerse de manifiesto al observar el elevado número de empresas en fase inicial que desarrollan principalmente materiales para ánodos, la mayoría de ellas centradas en el silicio, en comparación con otras áreas de desarrollo del Li-ion.

La razón de este interés se debe a que el silicio tiene el potencial de aumentar significativamente la densidad energética de las baterías, ya que tiene una capacidad, un orden de magnitud superior a la del grafito comúnmente utilizado. La densidad energética a nivel de celda podría casi duplicarse con respecto al estado actual de la técnica, lo que supondría ventajas evidentes para la autonomía de los vehículos eléctricos o la duración de los smartphones. Más allá de esta cifra, el silicio también puede mejorar el atractivo de las celdas de menor energía, como las de fosfato de hierro y litio (LFP), reduciendo la diferencia con las celdas de níquel-manganeso-óxido de cobalto (NMC) y minimizando la desventaja principal de las LFP, especialmente para los vehículos eléctricos de batería. Los cálculos de IDTechEx estiman que la incorporación de un 20% de silicio en un ánodo podría mejorar la densidad energética en un 17%.

El problema de utilizar el silicio como ánodo es la longevidad o la falta de ella. Los cambios de volumen que sufre durante los ciclos provocan el consumo de electrolito y litio y causan tensiones mecánicas que, en última instancia, provocan la pérdida de conductividad eléctrica e iónica. La incorporación de porosidad, aditivos para el electrolito y redes conductoras y de unión son algunas de las soluciones que se están desarrollando. El silicio también tiene un riesgo reducido de formación de dendritas, mientras que la porosidad y los aditivos conductores que generalmente se necesitan ayudan además a la capacidad de carga rápida y al funcionamiento a bajas temperaturas. En general, los ánodos de silicio representan una propuesta muy prometedora y las empresas ya anuncian células con ciclos de vida razonables, lo que demuestra que el principal inconveniente del silicio está a punto de superarse.

Los ánodos de litio-metal también son muy prometedores para mejorar la densidad de energía, pero, de nuevo, adolecen de una escasa duración de los ciclos. También corren un mayor riesgo de formación de dendritas y cortocircuitos. Los electrolitos en estado sólido se están desarrollando ampliamente como solución, pero también se están explorando diseños que utilizan una fina barrera protectora y un electrolito líquido estable como medio para permitir los ánodos de litio-metal. De hecho, el uso de un sistema de separador/electrolito más convencional puede ser beneficioso para la densidad de energía y la fabricabilidad, aunque las ventajas de seguridad del uso de un electrolito sólido tengan que disminuir en cierta medida. Una vez resueltos algunos de los problemas técnicos y de rendimiento del silicio y el metal de litio, la clave de su éxito está empezando a centrarse en cómo se pueden fabricar estas soluciones a gran escala e integrarlas en los procesos actuales de fabricación de baterías. Con ventajas y desventajas similares, en última instancia, la cuestión no será el uso del silicio o del litio, sino la aplicación de una determinada innovación o solución.

Más allá de la densidad energética, la carga rápida es otra métrica clave con potencial para acaparar titulares. Los ánodos de silicio pueden ser adecuados para la carga rápida y las afirmaciones sobre la carga rápida de las células basadas en el metal de litio sugieren que también se están realizando mejoras en este ámbito, aunque el rendimiento debe verificarse en diseños de células comercialmente relevantes. Pero algunas aplicaciones pueden requerir tanto la capacidad de carga rápida como ciclos de vida muy largos, más allá de los 1.000 ciclos que suelen ser posibles con el Si o el Li. Toshiba, Echion y Nyobolt están desarrollando otros materiales novedosos para los ánodos, basados en óxidos de niobio y tungsteno, que prometen tiempos de carga de 5 a 6 minutos y ciclos de vida de varios miles de ciclos, pero con densidades de energía inferiores a la LFP.

Si bien estos materiales tienen ventajas a largo plazo, sus densidades energéticas comparativamente bajas los descartan para los vehículos eléctricos y la mayoría de los dispositivos de consumo, aunque hay aplicaciones en las que esta capacidad de alta potencia y larga vida útil podría ser muy valiosa. Por ello, el grafito, seguido del silicio y el litio-metal, serán los materiales clave para los ánodos en la próxima década. IDTechEx prevé que la demanda de material anódico de silicio, en peso, crecerá a una tasa de crecimiento anual del 45% entre 2022 y 2032. Para más información sobre tecnologías, actores y mercados de materiales anódicos avanzados, véase el nuevo informe de IDTechEx "Advanced Li-ion and Beyond Lithium Batteries 2022-2032: Technologies, Players, Trends, Markets". Para más información sobre los estudios de IDTechEx sobre baterías de estado sólido, baterías o mercados de vehículos eléctricos, visite www.IDTechEx.com.