Un investigador veloç per activar totes les possibilitats del silici a les bateries

Deu vegades més capacitat demmagatzematge que el grafit, el material usat fins ara a les bateries de ion liti per propiciar la càrrega. Aquesta és la raó per a la projecció de l'ús del silici en els propers anys, tant a 'smartphones' i dispositius com als ànodes de les bateries dels cotxes (sector en què Volkswagen acaba d'anunciar la propera construcció d'una gigafactoria a Sagunt per fabricar bateries per a cotxes elèctrics, amb una generació prevista de 3.000 llocs de treball). I companyies com Sila Nanotechnologies, als Estats Units, han confirmat l'inici de producció de les primeres unitats de bateries amb aquest mineral.

Espanya compta amb diversos centres de recerca on es treballa sobre aquest mineral, el segon més abundant a l'escorça terre i més accessible que el grafit (com en molts altres casos -per exemple, les 'terres rares'-), amb hegemonia xinesa ), ja que és present a les roques o sorra, i una vegada extret, pot començar el seu cicle de vida útil.

Així ho fan a Floatech, un 'spin-off' d'IMDEA Materials (institut d'investigació adcrit a la Comunitat de Madrid), cofinançat per Juan José Vilatela i Richard Schäufele, part del Grup de Nanocompostos Multifuncionals de l'institut.

Present i futur

Vilatela, enginyer físic per la Universitat Iberoamericana de Mèxic i doctor per la Universitat de Cambridge, destaca l'essència del treball amb aquest material: així com la reducció en pes i mida”.

Com a senyal de l'investigador, la innovació se centra a depurar el procés per ser ubic en el 'lloc virtuós' major fabricació, menor preu… amb el retorn de la producció sostenible: “El silici requereix un procés de transformació en electrodomèstic, per al qual a Floatech eliminació de tots els dissolvents i procés de barreja, per la qual cosa es reduirà la petjada ambiental”. A recorregut en plena ronda d'inversió, amb vista a construir la primera planta pilot el 2023 i tenir producte llest per al 2025 (han comptat amb el suport del Consell Europeu de Recerca, from a projecte d'excel·lència en investigació).

Això sí, encara que el silici arriba carregat d'avantatges, presenta algun imperatiu, com l'esquerdament davant els continus canvis de volum propis del procés de càrrega i descàrrega a les bateries d'ions de liti. En aquest sentit, Carmen Morant, catedràtica de Física Aplicada a la Universitat Autònoma de Madrid, destaca la importància d'aquest mineral: “És molt prometedor com a material d'ànode per a les bateries de liti, perquè és l'element amb més capacitat específica-teòrica i molt abundant a la natura. Podrà ser molt important, per exemple, a l'emmagatzematge de les energies renovables. No obstant això, a causa de les enormes variacions de volum que es produeixen a la introducció/extracció de liti en silici, on el material augmenta i disminueix el seu volum fins a quatre vegades, l'ànode s'esquerda, es trenca i la bateria perd estabilitat. Per això, estem estudiant com esmentar la vida útil d'aquestes bateries a través de l'ús de materials en petites dimensions, com ara làmines primes de silici i nanofils de silici”.

La solució ha estat pas físic imperatiu, com assenyala Morant, “per treballar amb capes molt més fines de silici i la fabricació de nanofils de silici verticalment alineats. Per visualitzar-ho, seria similar a les pues d'un dolor, entre aquests espais es pot allotjar aquest augment de volum Durant els processos de càrrega-descàrrega”. L'especialista destaca, a més, que hi ha dos tipus de silici en aquest camp: “el cristal·lí (més car i no viable comercialment), i l'amorf, més porós i que es pot 'dopar' amb la introducció de materials perquè encara sigui més conductor, sobre el que estem investigant en col·laboració amb el Grup Dispositius de Silici Dipositat, Unitat d'Energia Solar Fotovoltaica del Ciemat (Centre d'Investigacions Energètiques, Mediambientals i Tecnològiques)”.

En el cas de Marta Cabello, investigadora postdoctoral del grup de recerca de Prototipat de Cel·les de CIC energiGUNE, subratlla com, fins ara, la indústria va utilitzar quantitats molt baixes de silici als ànodes, entre un 5 i un 8%. I destaca la participació de la institució en el projecte europeu 3beLiEVe, “l'objectiu de la qual és reforçar la posició de la indústria europea de bateries i de l'automoció en el futur mercat dels vehicles elèctrics mitjans i el subministrament de la primera generació de bateries dissenyades i fabricat a Europa. En aquest projecte s'investiga la introducció de sílice al material anòdic.

Aquest desenvolupament del centre, ubicat al Parc Tecnològic d'Àlaba, va estar precedit per a la participació en un altre projecte destacat europeu Graphene Flagship Core 2, “on es van fer investigacions d'ànodes de silici combinats amb grafè, aconseguint escalar aquesta combinació de materials per a la seva producció en massa”.

nous temps

Com a resultat de la sostenibilitat, Cabello destaca que l'augment de la densitat energètica de la bateria permetrà disposar de vehicles elèctrics amb bateries capaces d'oferir més quilòmetres per estalviar amb una sola càrrega: industrial de les bateries d'ions de liti de base als anodes de silici es redueixen al mínim, és que la fabricació i el procés d'aquests anodes es realitza en medi aquós, allunyant-se dels dissolvents orgànics utilitzats habitualment, que són tòxics i redueix la seguretat de les bateries”.

Un altre destacament és el de Ferroglobe, l'empresa espanyola, juntament amb Little Electric Cars, seleccionada al segon projecte paneuropeu de recerca i innovació (IPCEI) que abasta tota la cadena de valor de les bateries.

Productor líder mundial de silici metall i ferroaliatges silici-manganès, té una base de clients de tot el món en mercats dinàmics i de ràpid creixement, com el solar, el de l'automoció, el dels productes de consum, el de la construcció i el de l'energia, amb plantes de fabricació a Espanya, França, Noruega, Sud-àfrica, Estats Units, Canadà, Argentina i Xina (26 centres productius, amb 69 forns a tot el món, i uns 3400 empleats a tot el món) .

Al seu Centre d'Innovació i R+D (a Sabón, La Corunya), juntament amb la fàbrica metal·lúrgica de sílice, única a Espanya, Ferroglobe ha posat en marxa un pla estratègic d'innovació per al desenvolupament de pols de silici (micromètric i nanomètric) ) per a l'ànode de les bateries d'ions de liti. “La companyia (assenyalen) vol aportar solucions al repte actual que té la indústria automotriu i de la mobilitat, comme és impulsar una transició cap a tecnologies més sostenibles i climàticament neutrals. En aquest context, les bateries són una tecnologia clau per a aquest canvi, però cal assegurar el subministrament dels materials avançats necessaris per fabricar-les”. Un escenari internacional on el silici s'assenta com un dels materials imprescindibles de la primera dècada per dilucidar la relació entre rendibilitat i sostenibilitat.