La empresa de materiales Sila en California (EE. UU.) ha pasado la última década trabajando en aumentar la energía almacenada en las baterías de iones de litio, un avance que podría permitir dispositivos más pequeños y vehículos eléctricos con mucho mayor alcance.

Para lograrlo, Sila ha desarrollado partículas a base de silicio que pueden sustituir el grafito en los ánodos y contener más iones de litio que transportan la corriente en una batería.

La empresa acaba de lanzar su producto al mercado, con una porción de polvo de silicio para ánodo en la batería del próximo Whoop 4.0, el dispositivo portátil de fitness, que, aunque pequeño, podría dar un gran paso adelante en el campo de las baterías, donde los prometedores resultados de laboratorio a menudo no se traducen en un éxito comercial.

El director ejecutivo de Sila, Gene Berdichevsky, quien como séptimo empleado de Tesla ayudó a resolver algunos de los desafíos críticos relacionados con la batería para el primer vehículo eléctrico de la empresa, explica: "Piense en el Whoop 4.0 como si fuera nuestro Tesla Roadster. Es el primer dispositivo en el mercado que demuestra este gran avance".

Foto: Celdas de batería producidas con las partículas de silicio de Sila. Créditos: Sila

Los materiales de la empresa, con una pequeña ayuda de otros avances, incrementaron la densidad de energía en la batería del dispositivo de fitness en aproximadamente un 17 %. Es un aumento significativo en este campo que generalmente avanza pocos puntos porcentuales al año.

Esto equivale a unos cuatro años de progreso estándar, "pero en un gran salto", opina el profesor asociado de ingeniería mecánica de la Universidad Carnegie Mellon (EE. UU.) Venkat Viswanathan.

Sila se enfrenta todavía a algunos verdaderos desafíos técnicos, pero este avance es una señal prometedora del potencial de las baterías cada vez más capaces de ayudar al mundo a alejarse de los combustibles fósiles mientras se aceleran los peligros del cambio climático. Aumentar la cantidad de energía que las baterías pueden almacenar facilita que las fuentes de electricidad más limpias alimenten más edificios, vehículos, fábricas y negocios.

Para el sector del transporte, una batería con mayor densidad energética reduciría los costes o extendería la autonomía de los vehículos eléctricos, abordando dos de los mayores problemas que suelen desincentivar a las personas para dejar de consumir gasolina. También promete más baterías de red que ahorrarían más energía de los parques solares y eólicos, o dispositivos de consumo que durarían más entre cargas.

La densidad energética es la clave para la "electrificación de todo", subraya Berdichevsky, que ya en 2017 se alzó como ganador entre nuestros Innovadores menores de 35.

En el caso del nuevo dispositivo portátil de fitness, los nuevos materiales de la batería y otras mejoras hicieron posible que Whoop, con sede en Boston (EE. UU.), redujera el tamaño del dispositivo en un 33 % mientras mantenía los cinco días de duración de la batería. El producto es lo suficientemente delgado para insertarse en "ropa inteligente" y para llevarlo como un reloj. Salió a la venta el 8 de septiembre.

Sila, que anunció una financiación de 5499 millones de euros en enero de este año, también tiene asociaciones para desarrollar materiales de batería para fabricantes de coches como BMW y Daimler. La empresa aseguró que, con el tiempo, su tecnología podría acumular hasta un 40 % más de energía en las baterías de iones de litio.

Evitar los incendios

Berdichevsky consiguió su trabajo en Tesla antes de su último año en la Universidad de Stanford (EE. UU.), donde estudiaba ingeniería mecánica. Acabó teniendo un papel clave en abordar un riesgo potencialmente existencial para la empresa: que un incendio en cualquiera de las miles de baterías introducidas en un vehículo prendiera fuego a todo.

Creó un programa para evaluar sistemáticamente una serie de diseños de paquetes de baterías. Después de cientos de pruebas, la compañía desarrolló una combinación de arreglos de baterías, materiales de transferencia de calor y canales de enfriamiento que evitaron en gran medida los incendios.

Después de que Tesla lanzara Roadster, Berdichevsky sintió que tenía que comprometerse por otros cinco años para ver a la compañía a través del desarrollo del próximo vehículo, el Modelo S, o aprovechar la oportunidad para probar algo nuevo. Al final, decidió que quería construir algo propio.

Foto: El director ejecutivo y cofundador de Sila, Gene Berdichevsky. Créditos: David Paul Morris / Sila

Berdichevsky regresó a la Universidad de Stanford para realizar un máster en el estudio de los materiales, la termodinámica y la física, con la esperanza de encontrar formas de mejorar el almacenamiento en el nivel básico. Después de graduarse, pasó un año como empresario residente en Sutter Hill Ventures, buscando ideas que pudieran crear la base de su propio negocio.

Durante ese tiempo, encontró un artículo científico con un método para producir partículas a base de silicio para ánodos de las baterías de iones de litio. Los investigadores llevan mucho tiempo considerando el silicio como una manera prometedora de aumentar la energía en las baterías, porque sus átomos pueden unirse con 10 veces más iones de litio en peso que el grafito.

Eso significa que contienen muchas más moléculas cargadas para producir corriente eléctrica en una batería. Pero los ánodos de silicio solían venirse abajo durante la carga, ya que se hinchaban para acoger los iones que se movían entre los electrodos.

El artículo, cuyo coautor era el profesor del Instituto de Tecnología de Georgia (EE. UU.) Gleb Yushin, destacó la posibilidad de desarrollar materiales rígidos de silicio con un núcleo poroso que pudiera acoger y liberar los iones de litio más fácilmente. Al año siguiente, Berdichevsky cofundó Sila con Yushin y otro antiguo ingeniero de Tesla Alex Jacobs.

Desafíos y retrasos

La empresa pasó la siguiente década mejorando sus métodos y materiales, trabajando en más de 50.000 iteraciones de la química mientras aumentaba su capacidad de fabricación. Desde el principio, decidió desarrollar materiales directos que los fabricantes de baterías de iones de litio pudieran intercambiar, en vez de seguir la vía más costosa y arriesgada de producir baterías completas.

Sin embargo, Sila no va al ritmo que se esperaba en un principio. Después de obtener varios millones de euros de la división ARPA-E del Departamento de Energía de EE. UU., la empresa afirmó a la agencia de investigación en un momento que sus materiales podrían estar en distintos productos en 2017 y en los vehículos en 2020. En 2018, cuando Sila anunció su acuerdo con BMW, aseguró que sus partículas podrían ayudar a impulsar los vehículos eléctricos del fabricante de coches alemán en 2023.

Berdichevsky resalta que la compañía espera tener su producto en vehículos "más bien en 2025" y que resolver los problemas de la "última milla" fue simplemente más difícil de lo que esperaban. Los desafíos incluían trabajar con fabricantes de baterías para obtener el mejor rendimiento de los nuevos materiales.

En un correo electrónico, admitió: "Fuimos ingenuamente optimistas sobre los desafíos de escalar y llevar los productos al mercado".

Las noticias sobre Whoop indican que Sila consiguió diseñar las partículas de una manera que ofrece seguridad, ciclos de vida y otros puntos de referencia de rendimiento de batería similares a los logrados en los productos existentes.

Pero es llamativo que las partículas de Sila proporcionarán solo alrededor del 25 % de la capacidad en el ánodo de la batería, y los materiales estándar de grafito proporcionarán el resto.

Viswanathan cree que la mayor prueba será sustituir completamente el grafito, en lugar de solo parcialmente. Eso requiere un mayor nivel de precisión y rendimiento, algo que describe como la diferencia entre conseguir un doble punto y ganar la partida.

Además, advierte que la empresa aún se enfrenta a grandes desafíos que van desde los dispositivos de consumo hasta las demandas más rigurosas de los vehículos eléctricos. Los coches, camiones y autobuses necesitan baterías de alta densidad energética y extremadamente seguras que se carguen rápidamente y duren muchos ciclos de vida, entre otras cosas. El problema con la química de la batería es que la mejora de los materiales y procesos involucrados en un rendimiento estándar a menudo puede suponer el detrimento de otros, señala Viswanathan.

Berdichevsky asegura que los materiales de la batería de Sila reemplazarán por completo al grafito en su próximo producto comercial, que afirma que está "cerrado y preparado" con un socio que aún no puede nombrar. Y, a diferencia de otros materiales prometedores de batería que en estos días atraen la atención de la prensa y de los inversores, como el metal de litio, los materiales de silicio de Sila ya están en los productos.

"Creemos firmemente en que la esperanza y el bombo no cambian el mundo, el transporte sí", concluye Berdichevsky.