Modelización electroquímica y diseño sostenible de baterías sólidas

Abstract

La creciente demanda de almacenamiento energético con alta densidad y seguridad ha llevado a evaluar dos configuraciones de baterías de estado sólido: (i) Li7P3S11 con cátodo de azufre soportado en carbono (S/C) y ánodo de Li4Ti5O12, y (ii) Al-dopado LLZO combinado con cátodo NCM811 recubierto de grafeno y ánodo de litio metálico. Finalmente, se escogió la segunda por ofrecer el mejor compromiso entre complejidad física y viabilidad experimental, y se centró el modelado multiescala en Python en el sistema LLZO–NCM811–Li. El modelo integra un muestreo Monte Carlo exploratorio y un esquema determinista de diferencias finitas 2D, fundamentado en las ecuaciones de transporte iónico de Nernst–Planck acopladas a la cinética de Butler–Volmer. Las simulaciones muestran que, en estados de carga bajos, el campo eléctrico en el electrolito sólido alcanza picos del orden de 10¹³ V/m, superando el umbral de formación de dendritas y revelando cuellos de botella en las interfaces. Un análisis de ciclo de vida cuantifica consumos de agua de 5×10⁵ L/t de litio y emisiones cercanas a 15 t CO₂ eq., subrayando la necesidad de estrategias de ecodiseño. Estos resultados ofrecen pautas de diseño y operación para optimizar simultáneamente el rendimiento, la seguridad y la sostenibilidad de las baterías de estado sólido.