La era del silicio está aquí... para las baterías

Desde el debut comercial de las baterías de iones de litio hace tres décadas, esta tecnología de almacenamiento de energía portátil y de alta densidad (y ganadora del Premio Nobel) ha revolucionado los campos de la electrónica de consumo, los vehículos eléctricos y el almacenamiento de energía a gran escala. Y, sin embargo, incluso en el caso de los enormes avances de la tecnología (una asombrosa caída del precio de treinta veces entre 1991 y 2018, por ejemplo), las mayores mejoras se han producido principalmente en el lado de los cátodos de óxido metálico de litio. Los ánodos de grafito de las baterías de iones de litio, por el contrario, se han mantenido prácticamente iguales.

El silicio ha sido prometedor durante mucho tiempo como medio para ánodos, porque puede contener 10 veces más iones de litio en peso que el grafito. De hecho, el primer uso documentado del silicio como ánodo de una batería de litio es incluso anterior al del grafito: siete años. Pero los experimentos con ese elemento han estado plagados de desafíos técnicos, incluida la expansión del volumen del ánodo cuando se carga con iones de litio y la fractura del material resultante que puede ocurrir cuando un ánodo se expande y contrae.

Ahora, sin embargo, después de unos 15 años de mejoras incrementales y esperanzas frustradas, finalmente ha llegado el momento del silicio como material fundamental en las baterías.

"El silicio ha transformado la forma en que almacenamos información y ahora está transformando la forma en que almacenamos energía". –Rick Costantino, Group14

Algunos fabricantes de automóviles y nuevas empresas de ánodos de silicio se han asociado para producir vehículos eléctricos de mayor alcance y menor costo que podrían estar en circulación a mediados de la década. General Motors y OneD Battery Sciences en Palo Alto, California, están incorporando la nanotecnología de silicio de OneD a las celdas de batería Ultium de GM. El ánodo de silicio de Sila Nanotechnologies, con sede en Alameda, California, que ha impulsado el rastreador de ejercicios Whoop desde 2021, estará en el SUV Mercedes Clase G para 2026. Group14 Technologies, en Woodinville, Washington, debería tener su batería de silicio configurada en un Porsche EV el próximo año.

A finales de 2022, Group14, Sila y Amprius Technologies en Fremont, California, recaudaron casi 500 millones de dólares para comercializar sus materiales de ánodo, con 250 millones de dólares del Departamento de Energía de EE. UU. y, para Group14, otros 214 millones de dólares en inversión privada. . Los tres planean tener fábricas nacionales a escala de gigavatios en funcionamiento en los próximos años. Group14 comenzó la construcción de una planta de 20 gigavatios en Moses Lake, Washington, en abril.

"El silicio ha transformado la forma en que almacenamos información y ahora está transformando la forma en que almacenamos energía", afirma Rick Costantino, director de tecnología de Group14.

El silicio promete vehículos eléctricos de mayor autonomía, carga más rápida y más asequibles que aquellos cuyas baterías cuentan con los ánodos de grafito actuales. No sólo absorbe más iones de litio, sino que también los transporta más rápido a través de la membrana de la batería. Y como es el metal más abundante en la corteza terrestre, debería ser más barato y menos susceptible a problemas en la cadena de suministro. Actualmente, casi todo el material de ánodo de grafito se procesa en China.

Según se informa, Tesla ha añadido hasta un 5 por ciento de silicio en los ánodos de sus baterías. Pero las nuevas empresas de ánodos de silicio quieren ir mucho más allá.

Cuando los investigadores comenzaron a explorar el silicio para los ánodos de baterías de litio (como se señaló anteriormente, en 1976, antes de que el grafito se convirtiera en la solución de compromiso), la drástica hinchazón y contracción del silicio durante la carga y descarga desintegró rápidamente el ánodo. Y las reacciones secundarias adversas complicaron el proceso durante la carga y también acortaron la vida útil de la batería.

Algunos fabricantes comerciales de baterías, incluido Tesla, han aumentado la capacidad de retención de litio de los ánodos de sus baterías añadiendo una pequeña cantidad (normalmente hasta un 5 por ciento) de silicio. Pero las nuevas empresas de ánodos de silicio quieren ir mucho más allá.

La mayoría de ellos están considerando el silicio fabricado con nanotecnología como una solución alternativa a los problemas de hinchazón y reacciones secundarias. El profesor de ciencias de materiales de Stanford, Yi Cui, y su laboratorio iniciaron este campo de investigación con un artículo de 2008 en Nature Nanotechnology sobre nanocables de silicio que resistieron la hinchazón. Otros pronto le dieron diferentes giros a esto, con nanopartículas de silicio esféricas, partículas de tipo núcleo-cubierta formadas por núcleos de silicio con revestimientos protectores alrededor y partículas de silicio con superficies grabadas.

Cui cofundó Amprius en 2008 para comercializar la tecnología de ánodos de nanocables de silicio. La empresa ha mejorado el proceso para cultivar nanocables directamente a partir del sustrato metálico del colector de corriente. Los nanocables no se hinchan tanto como las nanopartículas esféricas. La elección de la empresa por el silicio puro es la razón de la alta densidad de energía de la batería, afirma Ionel Stefan, director de tecnología. Los materiales finos y porosos también permiten que una batería agotada alcance un estado de carga del 90 por ciento en 10 minutos.

En marzo, Amprius informó sobre una batería de ánodo de silicio con una densidad de energía certificada récord de 500 vatios-hora por kilogramo, aproximadamente el doble que las baterías de vehículos eléctricos actuales. Airbus y BAE Systems ya utilizan las baterías de la empresa en aviones. Al aumentar la producción en una fábrica de 5 GW en Boulder, Colorado, que se inaugurará en 2025, Amprius espera reducir los costos lo suficiente para aplicaciones de vuelos comerciales como drones y taxis aéreos.

Gene Berdichevsky, cofundador y director ejecutivo de Sila Nanotechnologies, sostiene un frasco de los materiales de ánodo de silicio nanocompuestos más nuevos de la compañía para baterías de iones de litio, que ya se utilizan en el rastreador de actividad física WhoopSila Nanotechnologies

La desventaja de la tecnología de ánodos de Amprius es que "es costosa y su producción requiere ánodos patentados que no son compatibles con las grandes fábricas de celdas de vehículos eléctricos existentes", dice Vincent Pluvinage, director ejecutivo y cofundador de OneD Battery Sciences. Ésa es la razón por la que Amprius, por ahora, se centra en aplicaciones específicas como el transporte aéreo urbano.

Pluvinage dice que OneD, en cambio, se centra en conseguir vehículos eléctricos asequibles en el mercado para 2026. OneD también utiliza nanocables de silicio, pero la empresa infunde los nanocables en los poros internos y las superficies de las partículas de grafito. La adición del procesamiento de silicio cuesta menos de 2 dólares por kilovatio-hora y produce baterías con densidades de energía de 350 vatios-hora por kilogramo y un 80 por ciento de carga en menos de 10 minutos. "Si bien el silicio se ha considerado un material costoso y de alta ingeniería, OneD ha encontrado la solución para romper esta barrera de costos y agregar de manera efectiva la cantidad justa de silicio a las baterías de vehículos eléctricos", dice Pluvinage.

Group14 y Sila mantienen los costos bajos mediante el diseño de materiales de silicio que se ven y se comportan igual que el polvo de grafito negro que se usa para fabricar los ánodos actuales. Esto, dicen, permitirá un intercambio directo en las instalaciones de baterías existentes. "No es necesario cambiar la forma en que se fabrican las baterías... los ánodos de silicio se pueden fabricar en las mismas fábricas", dice Gleb Yushin, director de tecnología de Sila. Yushin, profesor de ciencia de materiales en Georgia Tech, cofundó Sila en 2011 con el ex ingeniero de Tesla Gene Berdichevsky.

El polvo de silicio de Sila consiste en partículas de tamaño micrométrico de silicio nanoestructurado y otros materiales rodeados por un andamio poroso hecho de otro material. El material permite baterías con una densidad de energía un 20 por ciento mayor (lo que se traduce en unos 160 kilómetros más de alcance para un vehículo eléctrico) que aquellas con ánodos de grafito. La compañía dice que planea duplicar esa cifra en el futuro.

“A nivel material, eventualmente debería ser más barato que el grafito”.—Gleb Yushin, Sila Nanotechnologies

El compuesto de Sila combate los dos problemas clave del silicio, a saber, la hinchazón y las reacciones con el electrolito. Los espacios en el material poroso nanoestructurado permiten que el silicio se expanda sin sufrir daños; y el andamio permite el paso de los iones de litio evitando reacciones con el electrolito, explica Yushin.

Actualmente, Sila fabrica su material de ánodo en una instalación a escala piloto en California y planea construir una planta de 20 GW en el estado de Washington. Según la compañía, esa instalación producirá suficiente material de ánodo para alimentar 1 millón de vehículos eléctricos en los próximos cinco años. "Fundamos la empresa para permitir la revolución de los vehículos eléctricos", dice Yushin. “Cuando se aumenta la escala, el costo siempre disminuye sustancialmente. A nivel de materiales, eventualmente debería ser más barato que el grafito”.

Group14 está aprovechando su experiencia en la fabricación de materiales de carbono porosos para baterías y ultracondensadores. La empresa crea partículas de carbono porosas de tamaño micrométrico en un solo paso y en una sola reacción mediante un proceso patentado, y luego utiliza la deposición química de vapor para introducir silicio en el interior de los poros. El silicio que se forma en el interior es amorfo, no cristalino, a diferencia del que utilizan los competidores, afirma el director tecnológico Costantino. “El silicio amorfo es la forma ideal para el almacenamiento de energía. Es la forma más estable, con alta capacidad y mayor ciclo de vida”.

La planta de 10 GW de la compañía en Corea del Sur, construida en asociación con SK Materials, un fabricante líder de materiales para electrónica y pantallas, debería estar operativa en los próximos meses, afirma Costantino. La fábrica de 20 GW de la empresa entrará en funcionamiento el próximo año. A diferencia de Sila, Group14 busca aplicaciones de transporte más allá de los vehículos eléctricos, incluidos los taxis aéreos y los eVTOL.

El silicio nanoestructurado podría no ser la única forma de colocar silicio en ánodos. Enevate, en Irvine, California, ha adoptado un enfoque completamente diferente. En lugar de diseñar nanopartículas y nanocables de silicio, la empresa deposita películas de silicio porosas de decenas de micrómetros de espesor directamente sobre láminas de cobre. Sus baterías de ánodo de silicio se encuentran ahora en las nuevas bicicletas eléctricas de Lightning Motorcycles, con sede en California, y proporcionan aproximadamente 220 kilómetros de autonomía de vehículos eléctricos con solo una carga de 10 minutos.

Mientras tanto, NanoGraf ha elegido otra forma de aumentar la cantidad de silicio en los ánodos de grafito. La startup de Chicago fabrica un material de óxido de silicio que se hincha previamente para hacerlo más estable. Sus ánodos aumentan la densidad de energía de las baterías en un 10 por ciento, y la compañía actualmente está fabricando paquetes de baterías más livianos que los soldados pueden llevar para alimentar sus dispositivos de comunicaciones, gafas y otros equipos.

Mientras todas estas empresas compiten por aumentar la producción y reducir los costos, también tendrán que enfrentar la competencia de los desarrolladores de otras químicas de baterías que están compitiendo por avanzar en el uso de iones de litio. Litio-metal, litio-aire y litio-azufre son sólo algunos. En Stanford, Cui trabaja intensamente en baterías de litio-metal que utilizan litio puro como ánodo. "Yo lo llamo el santo grial de las baterías", dice. Su grupo, y otros como el Consorcio Battery500 de EE. UU., un grupo de cuatro laboratorios nacionales y cinco universidades, han logrado enormes avances en los ánodos de metal de litio, pero aún conllevan un riesgo para la seguridad, ya que las baterías a veces se incendian, dice Cui. Además, las tecnologías de litio-metal y otras tecnologías requerirán rediseñar una batería desde cero.

“El litio no estará en el mercado hasta dentro de cinco años como mínimo”, afirma, pero ya se puede hacer un pedido de material de ánodo de silicio. “El silicio está sucediendo ahora. Esta es la era del silicio”.

Este artículo aparece en la edición impresa de agosto de 2023.