El profesor Kilner es catedrático de Materiales para Energía de B.C.H.Steele, ex director del Departamento de Materiales y ex decano de la Royal School of Mines del Imperial College Londres. También es Investigador Principal en el Instituto Internacional para la Investigación de Energía Neutral de Carbono en Kyushu, Japón. 

Actualmente es editor europeo de la revista Solid State Ionics y es cofundador de la exitosa empresa CeresPower Ltd., una de las más importantes del mundo.

Es asesor científico de CIC energiGUNE en estrategia de materiales y en el campo de investigación de electrolitos cerámicos.

Ha estado involucrado en la investigación de cerámicas eléctricas avanzadas durante 30 años y ha publicado más de 400 artículos en este y otros campos relacionados con la ciencia de los materiales. Es, además, titular de varias patentes relacionadas con pilas de combustible y dispositivos de separación de gas.

1. ¿Cómo ve el futuro de las baterías de estado sólido para automóviles? 

En mi opinión, las baterías de estado sólido son esenciales para el desarrollo de un sistema de almacenamiento de energía eléctrica seguro y de alto rendimiento que favorezca el despliegue a gran escala de vehículos eléctricos. Dado que los vehículos eléctricos ya están disponibles, pero tienen algunas limitaciones que deben abordarse antes de que se produzca un despliegue masivo.

Como es habitual en una tecnología como ésta, es esencial que el nuevo sistema supere a lo que está actualmente disponible, para ganar cuota de mercado. Y en esto, la batería de estado sólido destaca en dos aspectos.

La primera es la capacidad de utilizar litio metálico para el ánodo de la batería para lograr una alta densidad de energía, y por tanto, una mayor autonomía en el vehículo eléctrico. Esto es así, porque el litio es muy corrosivo y requiere de un material químicamente inerte para su uso como electrolito, que tiene que estar en contacto firme con el ánodo metálico. De esta manera, los materiales cerámicos se convierten en idóneos dado que son muy resistentes a los procesos de corrosión. 

El segundo aspecto es la seguridad. La actual tecnología de iones de litio emplean un electrolito líquido o gel que es inflamable y tóxico. Por lo que pueden surgir problemas con las baterías como el sobrecalentamiento y los incendios que se han producido en los coches eléctricos o en el avión Boeing 777 (de ahí la prohibición actual de las baterías de litio en el equipaje de la bodega de un avión). Este sobrecalentamiento puede ocurrir cuando la batería se cortocircuita internamente por accidente o por un fallo interno, y las altas temperaturas generadas pueden provocar un incendio.

Las baterías de estado sólido son mucho más robustas contra tales daños accidentales y, además, el propio electrolito no es inflamable, a diferencia de los electrolitos líquidos.  Esto hace que la batería de estado sólido sea una perspectiva muy atractiva para las futuras baterías de los vehículos eléctricos.

2. ¿Cuándo llegarán al mercado las baterías de estado sólido para el vehículo eléctrico?

Es difícil de predecir porque depende de cuestiones que son multifactoriales.

La investigación y el desarrollo para que estas baterías proporcionen prototipos viables sólo llevará unos pocos años más, quizás de 3 a 5, pero esta es una previsión inexacta, ya que podría producirse un gran avance en cualquier momento.

La fabricación y el despliegue a gran escala dependerán de la rápida transferencia de tecnología, lo que no debería ser un problema si los gobiernos dan el impulso suficiente. De hecho, el objetivo actual de descarbonizar el mercado energético en un plazo lo suficientemente corto (2050) como para afectar al cambio climático, requerirá de fuertes incentivos para proporcionar alternativas a los motores de combustión y adoptar alternativas eléctricas. 

3. ¿Cuáles son las tendencias de la investigación? ¿En qué tecnologías están trabajando?

Estamos trabajando en varios aspectos del desarrollo de baterías de estado sólido para aplicaciones de automoción. Estas baterías tendrán tres componentes principales: un ánodo de metal de litio, un electrolito de cerámica y un cátodo de cerámica/compuesto. Además del rendimiento de estos componentes de manera individual, una característica importante del rendimiento de la batería es cómo las uniones (interfaces) entre los componentes limitan el flujo de energía de la batería.

Por eso, estamos estudiando dos aspectos de la interfaz entre el metal de litio y el electrolito cerámico. En primer lugar, cómo fabricar la batería y los materiales utilizados para la batería para reducir cualquier limitación introducida en las interfaces en su funcionamiento diario. En segundo lugar, estamos estudiando cómo interactúan los materiales a largo plazo, ya que esto controlará cómo se degrada la batería con el tiempo.  Todos estamos familiarizados con la forma en que los ciclos repetidos de las baterías secundarias o recargables (por ejemplo, en los teléfonos móviles) introducen una pérdida de rendimiento y, parte de ello, puede deberse a procesos de degradación en las interfaces.

Otro aspecto importante de los electrolitos cerámicos es su conductividad eléctrica (iónica), que es más baja que en los electrolitos líquidos convencionales y necesita ser mejorada.  Esa baja conductividad significa que la capa de electrolito cerámico debe ser muy delgada para mantener baja la resistencia interna de la batería. Pero las capas delgadas de cerámica no son muy robustas mecánicamente, lo que podría limitar su aplicación en automóviles en los que se necesita resistencia mecánica a los choques.

Como alternativa, un diseño cuidadoso de la estructura cristalina del electrolito cerámico podría lograr el objetivo de una mayor conductividad, pero este es un proceso bastante complejo y requiere una gran cantidad de ensayos. Con este último enfoque, CIC energiGUNE ha producido materiales cerámicos con la mayor conductividad iónica registrada para esta clase de materiales y sugiere que es posible obtener aún más beneficios.

Otro enfoque, quizás más pragmático, es utilizar nuestros conocimientos de ingeniería de materiales y hacer que el material cerámico sea menos frágil haciendo un compuesto de la cerámica con un material plástico, aunque, desafortunadamente, esto tiene un efecto perjudicial adicional sobre la conductividad.

En estos momentos estamos trabajando en ambos enfoques, y parece que el enfoque compuesto será quizás el más rápido de introducir en el mercado.

4. ¿Cómo se encuentra Europa en la batalla por el almacenamiento de energía?

Existen múltiples formas de almacenamiento de energía en varias etapas de desarrollo, como la hidráulica de bombeo, los volantes de inercia, los anillos superconductores, etc.

El almacenamiento electroquímico, como en una batería, es sólo una de estas muchas formas de almacenamiento que existen, y así debe ser, dado que lo que es apropiado en una región del mundo puede no ser lo mejor para otra debido a las diferencias en la oferta, la demanda, la infraestructura y la geografía.

Por ejemplo, la producción de hidrógeno se propone como una solución al problema del almacenamiento de energía con pilas de combustible que convierten la energía almacenada en hidrógeno en electricidad para vehículos, etc.  Esta es quizás una solución a un problema local, por ejemplo, una comunidad insular en la que no es necesario transportar el hidrógeno a largas distancias. Por el contrario, el almacenamiento de baterías y los vehículos eléctricos alimentados por baterías son los que mejor se adaptan a las regiones con una red de distribución de electricidad desarrollada, como es el caso de Europa, por lo que en este caso existe un fuerte impulso para el desarrollo de estas tecnologías.

Europa siempre ha sido líder en la ciencia fundamental que es relevante para el almacenamiento de energía y, en particular, en la que sustenta la tecnología de las baterías. Es decir, en los campos de la electroquímica y, el recientemente conocido como campo “solid-state-ionics”, en el que he pasado la mayor parte de mi carrera de investigación.

Europa también tiene una base industrial muy desarrollada, incluida una industria automovilística mundial, y es líder mundial en la principal tecnología renovable de la energía eólica. Por lo tanto, está bien situado para sobresalir en el desarrollo del almacenamiento de energía, siempre que exista un puente entre el conocimiento fundamental y el desarrollo comercial de los dispositivos de almacenamiento, y este es el papel fundamental que ofrece el CIC energiGUNE.

5. Por su posición como colaborador de varios institutos de investigación y por ser uno de los promotores científicos de un centro de investigación líder en el País Vasco en tecnologías de almacenamiento y, más concretamente, en baterías de estado sólido, ¿cómo ve la evolución de CIC energiGUNE en los últimos años? ¿Crees que CIC energiGUNE juega un papel importante en la escena internacional?

He visto a CIC energiGUNE crecer de una parcela en construcción, a un respetado instituto internacional en un período muy corto de tiempo. Este es un gran logro y no debe subestimarse. De hecho, me siento muy orgulloso del pequeño papel que he desempeñado en el desarrollo del centro durante los últimos 8 años.

Si miramos ahora a CIC energiGUNE, es líder en ciencia y tecnología de baterías en España y una institución muy competitiva a nivel mundial, además de una de las 5 primeras del ranking Europeo.

El centro tiene una de las mejores plataformas para lograr un impacto masivo en la comercialización de las nuevas tecnologías de baterías, además, que ha reclutado a un personal joven, talentoso y enérgico, lo que es un buen presagio para el futuro. Una vez más, este logro no debe ser subestimado, ya que hay una escasez global de investigadores talentosos que trabajan en el área de almacenamiento de energía y atraer a tantos para trabajar en CIC energiGUNE es un logro considerable.

El CIC energiGUNE se sitúa en una posición especial para proporcionar un puente esencial entre la investigación básica, que es principalmente el foco de los laboratorios universitarios, y el desarrollo de productos, que es el punto fuerte de las empresas comerciales.  Son pocas las instituciones en el mundo que ocupan esta posición única, por lo que el CIC energiGUNE tiene un papel muy valioso que desempeñar en el desarrollo de estas tecnologías esenciales.