La Spinoff abre una nueva frontera para las baterías

El Joint Center for Energy Storage Research (JCESR), un centro de innovación energética dirigido por el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE), reconoció este dilema cuando se puso en marcha en 2012. JCESR reúne a más de 150 investigadores de 20 instituciones -incluidos laboratorios nacionales, universidades y la industria- para construir materiales que permitan baterías revolucionarias.

"JCESR crea y prueba las ideas que acaban comercializándose", explica George Crabtree, director de JCESR y científico sénior de Argonne. Estas son las ideas más arriesgadas que ningún inversor financiaría -y que las empresas probablemente no perseguirían- porque el resultado es muy incierto. Si se demuestran, estas ideas pueden impulsar el rápido progreso sobre el cambio climático que necesitamos".

La exitosa trayectoria de la empresa derivada de JCESR, Blue Current, pone de manifiesto lo acertado de este planteamiento. En 2015, uno de los laboratorios del JCESR descubrió un nuevo y prometedor material para baterías, conocido como "compuesto", que puede hacerlas mucho más seguras. Inspirada por el potencial del compuesto, Blue Current siguió desarrollándolo. Ahora, Blue Current está aumentando la producción de sus celdas de batería. Además, una rama de Koch Industries ha invertido 30 millones de dólares en la empresa para construir su primera fábrica piloto a escala de megavatios en Hayward (California).

Seguridad desde el principio

La seguridad es un tema importante en las baterías. Cuando las baterías se cargan y descargan, unas sustancias llamadas electrolitos transportan la carga entre los electrodos positivo y negativo. Los electrolitos líquidos de muchas baterías comerciales de iones de litio son inflamables.

Desde su fundación, la principal prioridad de Blue Current ha sido desarrollar una batería completamente segura. Al mismo tiempo, ha hecho todo lo posible por evitar los compromisos de diseño relacionados con la seguridad que han hecho otras empresas de baterías. Su principal mercado objetivo son los vehículos eléctricos.

"Ayudar a la transición hacia la energía sostenible forma parte de nuestra misión principal, y los vehículos eléctricos son la mejor plataforma para hacerlo", afirma Kevin Wujcik, Director de Tecnología de Blue Current. Wujcik formó parte del equipo de investigación del JCESR que descubrió el material compuesto. En aquel momento, cursaba estudios de doctorado en la Universidad de California en Berkeley.

Desarrollar baterías para vehículos eléctricos es especialmente difícil porque hay que satisfacer muchas necesidades a la vez. Una batería para VE tiene que ser a la vez un corredor de maratón y un velocista", explica Wujcik. Tiene que tener una gran autonomía y funcionar durante mucho tiempo. Pero también tiene que poder cargarse muy rápido. Y tiene que funcionar bien a bajas y altas temperaturas".

Dos investigadores de baterías reconocidos internacionalmente fundaron Blue Current en 2014. Nitash Balsara es científico del JCESR, profesor de ingeniería química en la Universidad de California en Berkeley y científico titular del Lawrence Berkeley National Laboratory. Joseph DeSimone, que en 2014 era profesor de química en la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill, es hoy profesor de ingeniería química en Stanford.

Un pivote inicial

Las baterías de estado sólido, que contienen electrolitos sólidos, son mucho menos inflamables que las líquidas. Por eso muchos desarrolladores de baterías ven las tecnologías de estado sólido como la clave para desarrollar baterías completamente seguras. Pero los electrolitos sólidos se enfrentan a muchos retos técnicos, y hasta la fecha ninguna empresa ha comercializado con éxito una batería de estado sólido.

Una clase de sólidos cristalinos conocidos como vitrocerámicos tienen una buena conductividad, es decir, la capacidad de mover iones de litio con rapidez. Pero carecen de la capacidad de adherirse a los materiales químicamente activos de los electrodos de las baterías que almacenan los iones de litio.

Otra clase de materiales conocidos como polímeros -moléculas grandes con unidades químicas repetitivas- son eficaces para adherirse a los electrodos. Pero su conductividad es baja.

Al principio, Blue Current se centró en desarrollar una célula de batería con un electrolito líquido no inflamable. Entonces, en 2015, como parte de una investigación patrocinada por el JCESR, el laboratorio de Balsara hizo un descubrimiento revolucionario que resultó ser un acontecimiento formativo clave para Blue Current. El laboratorio abordó las deficiencias de la vitrocerámica y los polímeros uniéndolos. El electrolito sólido compuesto resultante demostró una buena conductividad y adherencia. Reconociendo el potencial del compuesto para abordar retos clave con baterías de estado sólido, Blue Current pivotó hacia el campo del estado sólido en 2016.

"Al combinar estos materiales, el descubrimiento de JCESR resolvió los desafíos que cada material enfrentaba por sí solo", dijo Wujcik. "Decidimos que utilizar materiales compuestos era la mejor manera de fabricar la batería más segura posible".

"Acertar con la ciencia"

Inicialmente, el ánodo (electrodo negativo) de la celda de la batería de Blue Current estaba hecho de metal de litio. Luego, en 2018, la empresa decidió utilizar silicio como material químicamente activo del ánodo. Una de las razones del cambio fue la seguridad: El metal de litio es altamente reactivo e inflamable, incluso en baterías de estado sólido.

Desde 2018, la empresa ha perfeccionado sus electrolitos compuestos, el ánodo de silicio y otros materiales para baterías, con el objetivo de resolver los desafíos técnicos de la tecnología de estado sólido.

"Nos hemos centrado en obtener la ciencia correcta", dijo Wujcik.

Uno de los retos de las pilas de estado sólido es la presión necesaria para que funcionen bien. Para que los electrolitos sólidos se adhieran a los electrodos, algunas empresas añaden pesadas placas metálicas y tornillos que someten las celdas de las pilas a una gran presión. Estos accesorios aumentan los costes de fabricación al tiempo que reducen la densidad energética, es decir, la cantidad de energía que puede almacenarse en las baterías por unidad de peso o volumen. Una menor densidad energética en las baterías de los vehículos eléctricos se traduce en una menor autonomía, a menos que el fabricante aumente el tamaño y el peso de las baterías. Las distancias de conducción más cortas tienden a hacer que los VE sean menos atractivos para los consumidores.

La visión de Blue Current ha sido utilizar la adhesividad y elasticidad de su electrolito compuesto para reducir la cantidad de presión necesaria para que las celdas funcionen. El compuesto es capaz de mantener un buen contacto con las partículas de silicio del ánodo, sin necesidad de utilizar pesadas placas metálicas. Es un logro impresionante: El silicio se expande y se contrae cuando una pila se carga y se descarga, lo que hace especialmente difícil que los electrolitos sólidos mantengan el contacto.

Un segundo reto que ha superado Blue Current tiene que ver con la temperatura. Como los electrolitos poliméricos tienen baja conductividad, muchos creadores de baterías de estado sólido utilizan elementos calefactores para elevar la temperatura de las celdas. Aunque el calor mejora la conductividad de los polímeros, requiere energía, lo que reduce la rentabilidad de la batería. En consecuencia, este método no es viable para muchas aplicaciones comerciales. En la actualidad, la alta conductividad de los electrolitos compuestos de Blue Current permite que sus celdas funcionen eficazmente a temperatura ambiente.

Los desarrolladores de pilas de estado sólido suelen tener dificultades para diseñar procesos de fabricación rentables y a gran escala. Por ejemplo, las pilas de estado sólido con ánodos de metal de litio requieren equipos de fabricación especializados para evitar la formación de dendritas durante el funcionamiento de la pila. Las dendritas son estructuras de litio en forma de aguja que hacen que las baterías sean menos seguras y duraderas.

Blue Current ha superado este obstáculo seleccionando materiales de ánodo de silicio abundantes y asequibles. Además, ha diseñado sus componentes de modo que puedan procesarse con el mismo equipo que utilizan actualmente los fabricantes de baterías de iones de litio de gran volumen.

Las células de Blue Current han demostrado un rendimiento excelente. Como parte de las rigurosas pruebas de seguridad, la empresa sometió sus celdas a las duras condiciones que los vehículos eléctricos podrían encontrar en el mundo real, como aplastamiento, perforación y sobrecarga. El desbordamiento térmico, un fenómeno de sobrecalentamiento de las baterías que puede provocar incendios, nunca se produjo.

"Si se elimina la fuga térmica, la batería es mucho más segura", afirma Crabtree, del JCESR. Esto es especialmente importante en los vehículos eléctricos. Las baterías están situadas bajo los asientos de los pasajeros".

En otras pruebas recientes, las celdas de Blue Current conservaron el 85% de su capacidad energética tras más de 1.000 ciclos de carga y descarga, el equivalente a conducir cientos de miles de kilómetros. Es una señal prometedora de que las pilas durarán mucho tiempo. Según una regla empírica del sector de los vehículos eléctricos, un 80% de retención de la capacidad es excelente.

El camino a seguir

Blue Current está equipando su planta piloto de Hayward con equipos de fabricación de gran volumen. Cuando esté terminada en 2023, la planta tendrá una capacidad de producción anual de 1-2 megavatios-hora. En ella se desarrollarán las especificaciones para fabricar volúmenes aún mayores. "La planta va a sentar las bases para la siguiente instalación", dijo Wujcik.

Blue Current también tiene previsto seguir centrándose en la investigación y el desarrollo. Estamos viendo cómo el sector de las baterías se orienta hacia el uso de ánodos de silicio para mejorar el rendimiento tanto de las baterías tradicionales de iones de litio como de las baterías de estado sólido de nueva generación", afirma Wujcik. "Dado que el campo del silicio de estado sólido se encuentra aún en una fase incipiente, es esencial que sigamos esforzándonos en el desarrollo de nuevos materiales".

De hecho, el éxito de Blue Current con las baterías de silicio de estado sólido abre un nuevo campo de exploración para investigadores y otras empresas. Se puede hacer mucho en este campo", afirma Wujcik. "Los investigadores pueden estudiar qué electrolitos sólidos y materiales de silicio utilizar y cómo se adhieren los electrolitos compuestos a los materiales de los ánodos".

Wujcik agradeció el importante papel de JCSER en el éxito de Blue Current.

"La idea de utilizar materiales compuestos en las baterías era nueva y no estaba probada antes del programa JCESR", dijo. JCESR destinó recursos a los materiales compuestos porque tenían potencial para satisfacer una necesidad del mercado de baterías seguras y de estado sólido, al tiempo que resolvían importantes retos técnicos. Al probar estos materiales, JCESR nos facilitó mucho el avance de la tecnología."