Los ánodos de silicona podrían multiplicar por diez la capacidad de una batería E-Bike

Cargar la batería de tu eBike puede resultar incómodo, especialmente si no cuentas con un garaje propio. Además, si disfrutas de recorridos largos, la ansiedad por la autonomía no es un tema irrelevante, ya que tener que empujar una bicicleta eléctrica de 26 kg de regreso a casa definitivamente no es solo molesto, sino también doloroso. En consecuencia, para las eBikes, al igual que para la movilidad eléctrica en general, el rendimiento de la batería es fundamental.

Por ahora, la densidad energética de las baterías sigue siendo su punto débil. Las baterías al igual que las de otros dispositivos con litio, solo ofrecen alrededor de 300 Wh por kilogramo, mientras que la gasolina ofrece 12.5 Wh/kg. Esta diferencia en la densidad energética da como resultado una autonomía limitada. Sin embargo, la vida útil de una batería para una eBike es más que adecuada; se estima que pueden durar al menos 20,000 km, dependiendo de las condiciones de uso. En comparación, las baterías de los autos eléctricos suelen estar garantizadas para retener al menos el 70% de su capacidad durante al menos 180,000 km.

Esto nos lleva a la reflexión sobre los avances necesarios para mejorar la autonomía de las eBikes y hacerlas más atractivas para quienes buscan explorar más lejos sin tener que preocuparse constantemente por la carga o la distancia.

La movilidad eléctrica ofrece numerosas ventajas para las bicicletas

Imagina lo complicado que sería utilizar un motor de combustión interna (ICE) para asistir tu pedaleo. Si se montara como un motor central, tendrías que respirar gases tóxicos cada vez que te detuvieras. Además, seguramente sería un motor de dos tiempos, lo que implicaría el consumo de aceite, la acumulación de residuos de combustión y una pérdida de rendimiento tras unos pocos miles de kilómetros, especialmente debido a los depósitos en el tubo de escape y el cilindro.

En comparación, las bicicletas eléctricas son una opción más limpia, eficiente y amigable tanto para el medio ambiente como para los ciclistas, eliminando los inconvenientes asociados con los motores de combustión interna.

En los años 60 se intentó comercializar bicicletas con motores de combustión interna (ICE), como la Atala Mosquito de Italia. Sin embargo, fue un fracaso rotundo. La razón principal fue la dificultad de sincronizar la potencia del motor con el pedaleo, ya que los motores de combustión son mucho menos flexibles que los eléctricos. Implementar sensores de par, velocidad o cadencia para armonizar el funcionamiento habría sido demasiado complicado en esa época, aunque hoy en día se hace en los automóviles con sistemas de control de cruce.

Además, estas bicicletas eran costosas. En consecuencia, el concepto fue un fracaso y se descontinuó después de pocos años.

Está claro que las bicicletas asistidas por motor dependerán de las baterías durante muchos años más. Otras soluciones, como las bicicletas eléctricas con celdas de combustible de hidrógeno, aún están lejos de ser viables para una adopción masiva.

Cómo funcionan las baterías

Los cuatro componentes de una batería:

• Electrodo positivo: llamado cátodo, normalmente fabricado con grafito en las baterías de iones de litio.
• Electrodo negativo: llamado ánodo, que también está hecho de grafito.
• Electrolito: una solución, generalmente líquida, que contiene sales de litio en las baterías de iones de litio.
• Separador: una membrana que evita el contacto directo entre el ánodo y el cátodo, pero permite el paso de los iones de litio.

Estos componentes trabajan en conjunto para almacenar y liberar energía, lo que hace posible el funcionamiento de dispositivos como las eBikes y otros equipos eléctricos.

La energía se genera mediante el movimiento cíclico y reversible de iones entre los dos electrodos a través del electrolito. Este proceso permite cargar y descargar la batería de forma eficiente. El separador desempeña un papel crucial al evitar cortocircuitos entre el ánodo y el cátodo, permitiendo al mismo tiempo el paso de los iones de litio a través de su estructura porosa. Esta dinámica es la clave para el funcionamiento seguro y eficiente de las baterías recargables, como las utilizadas en las eBikes y otros dispositivos eléctricos.

Cómo una batería entrega energía eléctrica

Una batería genera energía mediante una reacción química de oxidación-reducción. Cuando se demanda electricidad, el ánodo se oxida, liberando iones (carga positiva) y electrones (carga negativa).

Los iones positivos se desplazan hacia el cátodo a través del electrolito. Sin embargo, el separador permite el paso de los iones, pero bloquea el de los electrones. Para mantener el equilibrio químico dentro de la batería, los electrones deben moverse hacia el cátodo. Este flujo de electrones, que constituye una corriente eléctrica, viaja hacia el polo positivo a través del circuito externo conectado al dispositivo que se está alimentando.

La batería continuará entregando electricidad hasta que se agote la reserva de iones en el cátodo, momento en el cual será necesario recargarla o reemplazarla.

Cómo se recarga una batería

Recargar una batería implica revertir las reacciones químicas que ocurren durante su descarga. El proceso sería el siguiente:

1. Suministro de electricidad: Cuando se alimenta la batería con electricidad, se inicia una reacción de reducción en el cátodo (terminal positivo). Esta reacción permite que el cátodo recupere los electrones perdidos durante la descarga.
2. Regeneración del ánodo: En el ánodo (terminal negativo), los componentes se regeneran al recuperar los iones liberados durante la descarga.
3. Flujo de electrones: Los electrones fluyen hacia el ánodo a través del circuito externo, que incluye el cargador.
4. Movimiento de iones: Para mantener el equilibrio eléctrico, los iones acumulados en el cátodo durante la descarga se desplazan de vuelta al ánodo a través del separador, un componente que permite el flujo de iones pero evita el contacto eléctrico directo entre los electrodos.
5. Finalización de la carga: La carga se completa cuando todos los iones han regresado al ánodo, restaurando la batería a su estado completamente cargado.

Este proceso almacena energía eléctrica en forma de energía química, lista para ser utilizada en el próximo ciclo de descarga.

Aumentar la autonomía de las baterías: el objetivo principal de los fabricantes de E-Bikes

El «Santo Grial» de la tecnología en el mundo de las E-Bikes es, sin duda, aquella que permita a las baterías extender significativamente su autonomía. Actualmente, se están desarrollando tecnologías prometedoras para alcanzar este objetivo.

Ya hemos hablado aquí sobre las baterías de estado sólido de iones de litio, que están demostrando ser una realidad operativa. Por ejemplo, aproximadamente 100 autobuses Mercedes eCitaro ya utilizan estas baterías. Estas emplean un electrolito sólido en lugar de uno líquido, lo que les permite ofrecer un 50% más de autonomía que las baterías de litio convencionales, además de duplicar su vida útil.

Este avance tecnológico no solo promete transformar la experiencia de uso de las E-Bikes, sino que también podría convertirse en un estándar para vehículos eléctricos en general.

Baterías con ánodos de silicona: una promesa emergente

Universidades de Francia, Canadá y la Universidad de San Diego (California, EE.UU.) están investigando cómo mejorar esta tecnología. Quantumscape, una empresa californiana que desarrolla baterías, incluidas aquellas para su inversor Volkswagen, también utiliza ánodos de silicona (ver imagen principal).

Un ánodo de silicona cristalina tiene una capacidad específica teórica de 3600 mAh/g, aproximadamente diez veces más que los ánodos de grafito comúnmente utilizados, los cuales están limitados a 372 mAh/g. Cada átomo de silicio puede unirse hasta con 3.75 átomos de litio en su estado totalmente litiado (es decir, cuando recupera los iones liberados por el cátodo), en comparación con un átomo de litio por cada 6 átomos de carbono en el grafito completamente litiado (LiC6).

Además, la densidad de energía volumétrica del silicio es tres veces mayor que la del grafito, el material utilizado actualmente en los ánodos de las baterías de iones de litio.

Un aspecto aún más prometedor es que los ánodos de silicona se pueden combinar con los electrolitos de estado sólido mencionados anteriormente, lo que podría aumentar la autonomía de las baterías de manera exponencial.

El problema: Los ánodos de silicona se desgastan tras unos pocos ciclos de recarga y su volumen se triplica cuando se combinan con los iones de litio durante la descarga, el proceso en el que entregan electricidad a los dispositivos. Este aumento de volumen genera estrés mecánico y limita la durabilidad de las baterías.

El futuro de esta tecnología dependerá de encontrar soluciones a estos desafíos mecánicos y de desgaste. Las ventajas potenciales hacen que este sea un campo clave para la investigación y el desarrollo en el ámbito de las baterías avanzadas.

Comparación del cambio de volumen y las capacidades de 5 ánodos después de la litiación (descarga)

Ánodo	Ánodo de litio	Capacidad (mAh/g)	Cambio de volumen tras la litiación
Litio metálico puro	Li	3862	–
Ánodo de aluminio	Li9Al4	2235	604%
Ánodo de estaño	Li13Sn5	990	252%
Ánodo de silicio	Li15Si4	3600	320%
Grafito	LiC6	372	10%

 

Fuente: https://wikibattery.org/de/akademie/silizium-anode-silizium-komposite-in-siliziumbatterien/

Conclusión

Los últimos avances científicos, aunque todavía no son aplicables, pueden alimentar nuestras esperanzas para un mejor desarrollo, por ejemplo, autonomías de más de 200 km. Algunas empresas que fabrican prototipos de baterías con ánodos de silicona ya cotizan en la bolsa estadounidense (Nasdaq).

 

Imágenes: QuantumScape, Autobelle.it, Samsung.