El mundo está esperando un avance de batería. Casi todos los sectores de la industria electrónica, todo lo que funciona con una batería, está limitado por la potencia de salida y la vida útil de las baterías que lo hacen funcionar.
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"El progreso o el avance de las baterías es mucho más lento que en otros campos, y esta es una limitación intrínseca de las baterías", dice Stefano Passerini, editor en jefe del Journal of Power Sources . “No se puede esperar una batería que pueda suministrar energía a un teléfono celular durante una semana o un mes. Al final, la cantidad máxima de energía que puede almacenar en una batería está determinada por los elementos disponibles ".
Pero hay progreso. Los investigadores están trabajando para mejorar la densidad de energía (jugo por peso y volumen), el precio, la seguridad, el impacto ambiental e incluso la vida útil de la clase más popular, las baterías de iones de litio, así como el diseño de tipos completamente nuevos.
La mayoría de las baterías se pueden encontrar en tres industrias principales: electrónica de consumo, automotriz y almacenamiento en red.
"Yo los llamaría los tres grandes cubos de donde las personas se cruzan con las baterías", dice Venkat Srinivasan, subdirector de investigación y desarrollo en el Centro Conjunto de Investigación de Almacenamiento de Energía del Departamento de Energía. Cada cucharón tiene requisitos diferentes y, por lo tanto, las baterías utilizadas pueden (a veces) ser muy diferentes entre sí. Ese teléfono en su bolsillo necesita una batería compacta y segura, pero el peso y el costo son menos importantes. Escale a baterías automotrices, y con tantas baterías, el costo y el peso se vuelven importantes, así como la vida útil del ciclo (estaría muy enojado si ese nuevo Tesla requiriera baterías nuevas cada dos años). Aumente aún más, y las baterías que están comenzando a usarse para almacenar energía para las casas y la red tienen muy pocos requisitos de peso o tamaño.
Durante décadas, la electrónica de consumo (su teléfono, computadora, cámara, tableta, drones, incluso su reloj) ha funcionado con baterías de iones de litio, gracias a su fácil recarga y alta densidad de energía. En estas baterías, una red de grafito, rellena con iones de litio, forma el ánodo. Un óxido forma el cátodo, conectado al terminal opuesto, y los dos están separados por un electrolito líquido que permite que los iones pasen a través de él. Cuando los terminales externos están conectados, el litio se oxida y los iones fluyen hacia el cátodo. La carga es justo lo contrario. Cuantos más iones de litio se puedan transferir de esta manera, más energía puede contener la batería. Hemos llegado a apreciar el tamaño compacto y la facilidad de uso, si no la vida útil y la seguridad de la batería. Pero puede que no haya mucho espacio para mejoras adicionales, dice Passernini.
"Ahora las baterías de iones de litio están cerca del límite", dice. "Aunque ya estábamos diciendo esto hace unos 10 años, y las mejoras en los últimos 10 años han sido bastante sustanciales".
En el caso de los automóviles, las baterías son en última instancia responsables de la vida útil del automóvil y de la temida ansiedad por el alcance cuando se trata de automóviles eléctricos. Para abordar este problema, los ingenieros y los científicos están tratando de meter más capacidad de voltaje en las baterías. Pero eso a menudo se asocia con reacciones químicas defectuosas, que disminuyen la capacidad con el tiempo. Se dedica una gran cantidad de investigación a encontrar nuevos materiales y productos químicos para ayudar o reemplazar la red de iones de litio u otras partes de la batería.
Srinivasan señala un par de innovaciones potenciales, y estas no son solo para automóviles: la retícula anódica de grafito tradicional podría reemplazarse con silicio, que contiene 10 veces más iones de litio. Pero el silicio tiende a expandirse a medida que absorbe litio, por lo que las baterías tendrán que dar cuenta de eso. O bien: en lugar de la red, el metal de litio podría actuar como el ánodo, siempre que podamos descubrir cómo evitar que se cortocircuite de forma catastrófica cuando se recarga. Es un problema que los fabricantes de baterías han estado tratando de resolver desde que la batería de iones de litio se inventó hace décadas. "Tenemos muchas esperanzas de que estemos en un momento en que tal vez este problema de 30 años pueda abordarse nuevamente", dice Srinivasan.
Quizás el litio podría ser reemplazado por completo. Los investigadores están buscando formas de usar sodio o magnesio, y el Centro Conjunto para la Investigación del Almacenamiento de Energía está utilizando el modelado por computadora para investigar materiales diseñados a base de óxido que podrían funcionar como el cátodo de un ánodo de magnesio. El magnesio es especialmente atractivo porque su estructura le permite aceptar dos electrones por átomo, duplicando la carga que puede contener.
Prashant Jain y sus colaboradores en la Universidad de Illinois están trabajando en una faceta diferente de las baterías de litio: el electrolito. El electrolito es el fluido que llena el espacio entre el catión (ion cargado positivamente) y el anión (ion cargado negativamente), permitiendo que las partículas cargadas fluyan a través de él. Desde hace tiempo se sabe que ciertos materiales sólidos, como el seleniuro de cobre, también permitirán que los iones fluyan, pero no lo suficientemente rápido como para ejecutar dispositivos de alta potencia. Jain, profesor asistente de química, y sus alumnos, han desarrollado un sólido superiónico, hecho de nanopartículas de seleniuro de cobre, que tiene diferentes propiedades. Permite que las partículas cargadas fluyan a una velocidad comparable a la de un electrolito líquido.
Los beneficios potenciales de esta tecnología son dobles: seguridad y ciclo de vida. Si una batería de iones de litio actual se daña, la batería se cortocircuita y se calienta. El líquido se vaporiza y no hay nada para evitar una descarga rápida de energía: auge. Un sólido evitará ese corto y permitirá un ánodo de metal completo, que ofrece una mayor capacidad de energía. Además, durante ciclos repetidos, los electrolitos líquidos comienzan a disolver el cátodo y el ánodo, y esta es una razón principal por la cual las baterías finalmente no se cargan.
“Ha habido todas estas mejoras incrementales que realmente han hecho algunos avances. Pero nunca ha habido un gran avance dramático, tecnología disruptiva en la que uno pueda decir ahora, el electrolito sólido realmente coincide con el potencial en términos de transportar iones que los electrolitos líquidos [pueden] ”, dice Jain. "Ahora que los problemas de seguridad están llegando a primer plano, con los electrolitos líquidos, los investigadores han dicho, tal vez tenemos que pensar en algo dramático con electrolitos sólidos y, de una vez por todas, hacer uno que pueda reemplazar un electrolito líquido".
John Goodenough, co-inventor de la batería de iones de litio, está desarrollando una batería con un electrolito a base de vidrio. (Cockrell School of Engineering, Universidad de Texas en Austin) Uno de los co-inventores de la batería original de iones de litio está tomando otro rumbo hacia los electrolitos de estado sólido: John Goodenough, profesor emérito de ingeniería en la Universidad de Texas, ha publicado y presentado una solicitud de patente para una batería con un vaso. a base de electrolitos. Al impregnar el vidrio con litio o sodio, Goodenough ha podido permitir que la corriente fluya aún más rápido, evitando cortocircuitos y aumentando la capacidad de energía con un ánodo sólido.
Toda esta investigación va a influir en las baterías de nuestros bolsillos y automóviles. Pero hay una tercera categoría, donde los impactos son globales.
Melanie Sanford está utilizando herramientas de modelado en un tipo diferente de batería: enormes baterías de flujo redox que almacenarán energía de plantas de energía renovable y la liberarán cuando el viento y el sol no estén disponibles. Igualar los picos y valles de la producción y el consumo de energía ayudará a que las energías renovables se amplíen para proporcionar algo más que energía suplementaria.
El sur de California Edison ya está experimentando con bancos de baterías, utilizando baterías de automóviles Tesla, pero debido a que las baterías están basadas en iones de litio tradicionales, son demasiado caras para usar en una escala que permita la energía renovable global. Además, las restricciones para una batería de red son muy diferentes a las de un automóvil. El peso y el tamaño no son un problema, pero el precio y la vida útil sí lo son.
En una batería de flujo redox, el material de almacenamiento de energía se mantiene en forma líquida en tanques grandes, luego se bombea a una celda más pequeña donde reacciona con un aparato similar que tiene la carga opuesta. El modelado por computadora ha permitido al laboratorio de Sanford diseñar moléculas orgánicas a medida, lo que lleva a un aumento de mil veces, de menos de un día a meses, en la cantidad de tiempo que estas moléculas permanecen estables.
"Para la fuente a escala de red, el tipo de cosas que necesita son materiales que son súper baratos, porque estamos hablando de baterías enormes", dice Sanford. "Estamos hablando de un parque eólico, y luego de un área comparable de almacenes con estas baterías".
Según Sanford, las innovaciones vendrán tanto de la ciencia de los materiales (desarrollo de nuevos materiales para colocar nuestras baterías) como de ingenieros que harán que los sistemas construidos alrededor de esos materiales sean más eficientes. Se necesitarán ambos, pero la tubería desde la investigación hasta la producción será necesariamente otro cuello de botella.
"Todo el mundo debe saber que no hay una sola batería que pueda adaptarse a todas las aplicaciones", dice Passerini. “Está claro que incluso ganar un poco —10 por ciento, 20 por ciento de rendimiento— es un gran problema. Necesitamos investigar en el campo. Los científicos necesitan ser apoyados ".
