Durante los últimos siete años, la start-up Sila Nanotechnologies, con en California (EE. UU.), ha trabajado silenciosamente en un novedoso material de ánodos que promete aumentar significativamente el rendimiento de las baterías de iones de litio.

Pero el mes pasado, la empresa empezó a hacer ruido cuando anunció un acuerdo con BMW para colocar sus materiales de ánodo basados ​​en silicio en algunos de los vehículos eléctricos del fabricante de automóviles alemán para 2023. Un portavoz de BMW dijo al Wall Street Journal que la compañía espera que el acuerdo aumente entre un 10 % y un 15 % la cantidad de energía que puede guardar en una celda de batería para un volumen dado. El CEO de Sila, Gene Berdichevsky, dice que los materiales podrían conseguir que este aumento llegue hasta el 40 %. Las innovaciones de sus celdas hicieron que  Berdichevskyver se convirtiera en uno de los 35 Innovadores menores de 35 globales 2017 de MIT Technology Review.

En el caso de los vehículos eléctricos, aumentar esa densidad de energía podría aumentar mucho la cantidad de energía almacenada en una sola carga o disminuir el tamaño y el coste de las baterías necesarias para alcanzar los rangos estándar. En el caso de los dispositivos de consumo, este aumento podría reducir la frustración de los smartphones cuya batería se agota en menos de un día o podría permitir el nacimiento una nueva generación de aparatos que consumen mucha energía, como cámaras más grandes o las ultrarrápidas redes 5G.

Los investigadores llevan décadas intentando mejorar la capacidad de las baterías de iones de litio, pero los aumentos que consiguen suelen ser muy limitados (ver Por qué los avances en baterías nunca cumplen lo que prometen). Entonces, ¿cómo ha logrado Sila Nanotechnologies un salto tan grande?

Berdichevsky, que fue el séptimo empleado de Tesla, y el director de Tecnología de su empresa, Gleb Yushin,un científico de materiales del Instituto de Tecnología de Georgia (EE. UU.), explicaron su avance en detalle en una entrevista concedida a MIT Technology Review.

Foto: Los cofundadores de Sila (de izquierda a derecha), Gleb Yushin, Gene Berdichevsky y Alex Jacobs. Sila Nanotechnologies.

El ánodo es el electrodo negativo de una batería y cuando esta se carga, en este caso almacena iones de litio. Durante mucho tiempo, los ingenieros creyeron que el silicio tenía el mejor potencial como material para el ánodo por una simple razón: se puede unir con 25 veces más iones de litio que el grafito, el material que actualmente más se utiliza en las baterías de iones de litio.

Pero esta característica tenía un gran problema. Cuando el silicio se une a muchos iones de litio, su volumen se expande, alterando al material durante la carga. Además, esa hinchazón también desencadena reacciones electroquímicas secundarias que reducen el rendimiento de la batería.

En 2010, Yushin coescribió un artículo científico que describía un método para producir nanopartículas rígidas basadas en silicio lo suficientemente porosas como para asumir cambios de volumen significativos. Después, se asoció con Berdichevsky y otro antiguo ingeniero de baterías de Tesla, Alex Jacobs, para crear Sila el año siguiente.

Desde entonces, la compañía ha estado trabajando para comercializar ese concepto básico. Para ello han desarrollado, producido y probado decenas de miles de variedades diferentes de nanopartículas de ánodo cada vez más sofisticadas. La empresa descubrió mecanismos para alterar la estructura interna para evitar que el electrolito de la batería se filtrara en las partículas. También logró docenas de aumentos incrementales en la densidad de energía que finalmente se combinaron en una mejora total cercana al 20 % frente a la mejor tecnología de la época.

Finalmente, Sila creó una robusta partícula esférica de tamaño micrométrico con un núcleo poroso que desvía gran parte de la hinchazón dentro de la estructura interna. La parte exterior de la partícula no cambia de forma ni tamaño durante la carga, lo que garantiza que tenga un rendimiento y vida útil normales.

Los polvos de ánodo compuesto resultantes funcionan como un material que los fabricantes podrían incorporar a sus células de ion de litio existentes.

Cualquier nueva tecnología de batería requiere al menos cinco años de trabajo para asegurar la calidad y la seguridad de la industria automotriz, por eso el acuerdo con BMW está marcado para 2023. Pero la electrónica de consumo permitirá que Sila tome un camino más rápido. La empresa espera que a principios del próximo año ya haya productos a la venta que lleven sus baterías.

El ingeniero mecánico de la Universidad Carnegie Mellon (EE. UU.) Venkat Viswanathan, dice que Sila está "haciendo un gran progreso". Pero advierte que las mejoras en algunas características de las baterías suelen producirse a costa de otras que empeoran, como la seguridad, el tiempo de carga o el ciclo de vida. También matiza que lo que funciona en el laboratorio no siempre llega a los productos finales.

Empresas como Enovix y Enevate también están desarrollando materiales de ánodo con silicio. Pero hay otras empresas que han optado por enfoques completamente diferentes para lograr una mayor capacidad de almacenamiento, como las baterías de estado sólido. Estos modelos utilizan materiales como vidrio, cerámica y polímeros para reemplazar a los electrolitos líquidos, que ayudan a transportar iones de litio entre el cátodo y el ánodo.

BMW también se asoció con Solid Power, una spin-off de la Universidad de Colorado en Boulder (EE. UU.), que afirma que su tecnología de estado sólido, que depende de los ánodos metálicos de litio, puede almacenar de dos a tres veces más energía que las baterías de iones de litio tradicionales. Mientras tanto, Ionic Materials, que recientemente recaudó unos 52 millones de euros de Dyson y otras empresas, ha desarrollado un electrolito de polímero sólido que asegura que permitirá baterías más seguras y económicas que puedan funcionar a temperatura ambiente y que también funcionaran con metal de litio.

Algunos expertos en baterías creen que la tecnología de estado sólido es la que ofrece mayores aumentos en la densidad de energía, siempre y cuando los investigadores superen algunos obstáculos técnicos importantes que todavía tienen por delante.

Pero Berdichevsky enfatiza que los materiales de Sila ya están listos para implantarse en los productos y, a diferencia de las baterías metálicas de litio de estado sólido, los fabricantes no tendrán que realizar caras actualizaciones de los equipos que ya tienen.

A medida que la empresa desarrolla formas adicionales de limitar el cambio de volumen en las partículas basadas en silicio, Berdichevsky y Yushin creen que podrán aumentar aún más la densidad de energía, al tiempo que mejoran los tiempos de carga y la vida útil total del ciclo.