science-batteries-of-the-future

por DANIEL OBERHAU S

Se está produciendo un renacimiento en la investigación de baterías estructurales, cuyo objetivo es incorporar el almacenamiento de energía en los mismos dispositivos y vehículos que alimentan.

science-batteries-of-the-future
ILUSTRACIÓN: ELENA LACEY

ELON MUSK HIZO muchas promesas durante el Día de la Batería de Tesla en septiembre pasado. Pronto, dijo, la compañía tendría un automóvil que funciona con baterías con ánodos de silicio puro para aumentar su rendimiento y reducir el cobalto en los cátodos para bajar su precio. Su paquete de baterías se integrará en el chasis para que brinde soporte mecánico además de energía, un diseño que, según Musk, reducirá el peso del automóvil en un 10 por ciento y mejorará su kilometraje en aún más. Alabó la batería estructural de Tesla como una “revolución” en la ingeniería, pero para algunos investigadores de baterías, el futuro de Musk se parecía mucho al pasado.

“Básicamente está haciendo algo que hicimos hace 10 años”, dice Emile Greenhalgh, científico de materiales en el Imperial College de Londres y presidente de ingeniería en tecnologías emergentes en la Royal Academy. Es uno de los principales expertos del mundo en baterías estructurales, un enfoque para el almacenamiento de energía que borra el límite entre la batería y el objeto que alimenta. “Lo que estamos haciendo es ir más allá de lo que ha estado hablando Elon Musk”, dice Greenhalgh. “No hay baterías integradas. El material en sí es el dispositivo de almacenamiento de energía”.

Hoy en día, las baterías representan una parte sustancial del tamaño y peso de la mayoría de los dispositivos electrónicos. Un teléfono inteligente es principalmente una celda de iones de litio con algunos procesadores a su alrededor. Los drones tienen un tamaño limitado por las baterías que pueden transportar. Y aproximadamente un tercio del peso de un vehículo eléctrico es su paquete de baterías. Una forma de abordar este problema es incorporando baterías convencionales en la estructura del propio automóvil, como planea hacer Tesla. En lugar de usar el piso del automóvil para sostener la batería, la batería se convierte en el piso.

Pero para Greenhalgh y sus colaboradores, el enfoque más prometedor es desechar la batería y utilizar la carrocería del vehículo para almacenar energía. A diferencia de una batería convencional incrustada en el chasis, estas baterías estructurales son invisibles. El almacenamiento eléctrico ocurre en las delgadas capas de materiales compuestos que forman el chasis del automóvil. En cierto sentido, no pesan porque el automóvil es la batería. “Es hacer que el material haga dos cosas simultáneamente”, dice Greenhalgh. Esta nueva forma de pensar sobre el diseño de los vehículos eléctricos puede proporcionar enormes ganancias de rendimiento y mejorar la seguridad porque no habrá miles de células inflamables densas en energía dentro del automóvil.

Una batería de iones de litio dentro de un teléfono o un paquete de baterías para vehículos eléctricos tiene cuatro componentes principales: el cátodo, el ánodo, el electrolito y el separador. Cuando se descarga una batería, los iones de litio fluyen a través del electrolito desde el ánodo negativo al cátodo positivo, que están divididos por un separador permeable para evitar un cortocircuito. En una batería convencional, estos elementos se apilan como un pastel de bodas o se enrollan entre sí como un rollo de gelatina para acumular la mayor cantidad de energía posible en un volumen pequeño. Pero en una batería estructural, deben reconfigurarse para que la celda se pueda moldear en formas irregulares y resistir el estrés físico. Una batería estructural no parece un cubo o un cilindro; parece el ala de un avión, la carrocería de un automóvil o la carcasa de un teléfono.

Las primeras baterías estructurales desarrolladas por el ejército estadounidense a mediados de la década de 2000 usaban fibra de carbono para los electrodos de la celda. La fibra de carbono es un material ligero y ultrafuerte que se utiliza con frecuencia para formar las carrocerías de aviones y coches de alto rendimiento.. También es excelente para almacenar iones de litio, lo que lo convierte en un buen sustituto de otros materiales a base de carbono como el grafito que se utilizan como ánodos en las típicas baterías de iones de litio. Pero en una batería estructural, la fibra de carbono infundida con materiales reactivos como el fosfato de hierro también se usa para el cátodo porque necesita brindar soporte. Una fina hoja de vidrio tejido separa los dos electrodos, y estas capas están suspendidas en un electrolito como fruta en una gelatina electroquímica. El conjunto completo tiene solo unas millonésimas de metro de grosor y se puede cortar en cualquier forma deseada.

Leif Asp, científico de materiales de la Universidad Tecnológica de Chalmers en Suecia, ha estado a la vanguardia de la investigación de baterías estructurales durante la última década. En 2010, Asp, Greenhalgh y un equipo de científicos europeos colaboraron en Storage, un proyecto que tenía como objetivo construir baterías estructurales e integrarlas en un prototipo híbrido de Volvo. “En ese momento, no pensé que tendría mucho impacto en la sociedad, pero a medida que avanzábamos me di cuenta de que esta podría ser una idea muy útil”, dice Asp, quien caracteriza a la batería convencional como un “parásito estructural”. ” Él dice que el principal beneficio de las baterías estructurales es que reducen la cantidad de energía que un vehículo eléctrico necesita para conducir la misma distancia, o puede aumentar su alcance. “Necesitamos enfocarnos en la eficiencia energética”, dice Asp. En un mundo donde la mayor parte de la electricidad todavía se produce con combustibles fósiles, cada electrón cuenta en la lucha contra el cambio climático.

Durante el proyecto de tres años, el equipo de almacenamiento integró con éxito baterías comerciales de iones de litio en una cubierta de plenum, un componente pasivo que regula la entrada de aire al motor. No era la batería principal del automóvil, sino un paquete secundario más pequeño que suministraba electricidad al aire acondicionado, el estéreo y las luces cuando el motor se apagaba temporalmente en un semáforo. Esta fue la primera prueba de concepto para una batería estructural que se integró en la carrocería de un automóvil en funcionamiento y era esencialmente una versión a pequeña escala de lo que Tesla está tratando de lograr.

Pero colocar un montón de células de iones de litio convencionales en la carrocería de un automóvil no es tan eficiente como hacer que la carrocería del automóvil sirva como su propia batería. Durante la colaboración de Storage, Asp y Greenhalgh también desarrollaron un supercondensador estructural que se utilizó como tapa del maletero. Un supercondensador es similar a una batería pero almacena energía como carga electrostática, en lugar de una reacción química. El hecho para el maletero de Volvo constaba de dos capas de fibra de carbono impregnadas de óxido de hierro y óxido de magnesio, separadas por una capa aislante. Toda la pila se envolvió en laminado y se moldeó en la forma del baúl.

Los supercondensadores no contienen tanta energía como una batería, pero son excelentes para entregar rápidamente pequeñas cantidades de carga eléctrica. Greenhalgh dice que también es más fácil trabajar con ellos y fueron un trampolín necesario para lograr lo mismo con una batería. El Volvo fue una prueba de concepto de que el almacenamiento de energía estructural era viable en un vehículo eléctrico, y el éxito del proyecto de almacenamiento generó mucho entusiasmo.sobre baterías estructurales. Pero a pesar de ese entusiasmo, se necesitaron algunos años para obtener más fondos de la Comisión Europea para llevar la tecnología al siguiente nivel. “Esta es una tecnología muy desafiante y algo que no se va a resolver con unos pocos millones de libras”, dice Greenhalgh sobre las dificultades financieras. “Conseguimos mucha más financiación, y ahora realmente está empezando a crecer como una bola de nieve”.

Este verano, Asp, Greenhalgh y un equipo de investigadores europeos concluyeron un proyecto de investigación de tres años llamado Sorcerer que tenía el objetivo de desarrollar baterías estructurales de iones de litio para su uso en aviones comerciales. Podría decirse que la aviación es la mejor aplicación para el almacenamiento de energía estructural. Los aviones comerciales producen muchas emisiones, pero electrificar los aviones de pasajeros es un gran desafío porque requieren mucha energía. El combustible para aviones es terrible para el medio ambiente, pero es aproximadamente 30 veces más denso en energía que las células comerciales de iones de litio de última generación. En un avión típico de 150 pasajeros, eso significa que necesitaría aproximadamente 1 tonelada de baterías por persona. Si intentara electrificar este jet con las células existentes, el avión nunca despegaría del suelo.

Las empresas aeroespaciales establecidas como Airbus y las nuevas empresas como Zunum han estado trabajando en la electrificación de aviones de pasajeros durante años. Pero incluso si tienen éxito, empacar un avión lleno de celdas convencionales tiene importantes riesgos de seguridad. Un cortocircuito en una batería grande podría causar un incendio o una explosión desastrosos. “El sector aeroespacial es muy conservador y están nerviosos por empaquetar aviones con estas baterías de alta potencia”, dice Greenhalgh. La química emergente de las baterías, incluidos los electrolitos sólidos , podría reducir el riesgo, pero satisfacer los enormes requisitos de energía de un avión de pasajeros sigue siendo un desafío importante que podría resolverse con baterías estructurales.

Como parte del proyecto Sorcerer, Asp y sus colegas crearon baterías estructurales hechas de capas delgadas de fibra de carbono que posiblemente podrían usarse para construir partes de la cabina o alas de un avión. Las baterías experimentales que desarrolló el equipo de Sorcerer han mejorado significativamente las propiedades mecánicas y las densidades de energía en comparación con las baterías que produjeron durante la iniciativa Storage una década antes. “Ahora podemos fabricar materiales que tengan al menos un 20 a un 30 por ciento de la capacidad de almacenamiento de energía y la capacidad mecánica de los sistemas que queremos reemplazar”, dice Asp. “Es una gran progresión”.

Pero los desafíos técnicos son solo la mitad de la batalla cuando se trata de sacar baterías estructurales del laboratorio y llevarlas al mundo real. Tanto la industria automotriz como la de aviación están fuertemente reguladas y los fabricantes a menudo tienen márgenes reducidos. Eso significa que la introducción de nuevos materiales en automóviles y aviones requiere demostrar su seguridad a los reguladores y su rendimiento superior a los fabricantes.

A medida que se carga y descarga una batería estructural, los iones de litio entran y salen de los cátodos de fibra de carbono, lo que cambia su forma y propiedades mecánicas. Es importante que los fabricantes y los reguladores puedan predecir con precisión cómo reaccionarán estas baterías estructurales cuando se utilicen y cómo eso afecta el rendimiento de los vehículos que alimentan. Con ese fin, Greenhalgh y Asp están construyendo modelos matemáticos que mostrarán exactamente cómo cambia la estructura de los vehículos construidos con estas baterías durante el uso. Asp dice que probablemente pasará más de una década antes de que las baterías estructurales se implementen en los vehículos debido a sus importantes demandas de energía y desafíos regulatorios. Antes de que eso suceda, predice, se convertirán en algo común en la electrónica de consumo.

Jie Xiao, el científico jefe y gerente del grupo Sistema de baterías y materiales del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico, está de acuerdo. Ella piensa que un área de aplicación particularmente prometedora y que a menudo se pasa por alto es la microelectrónica. Estos son dispositivos que pueden caber cómodamente en la punta de su dedo y son particularmente útiles para implantes médicos. Pero primero, debe haber una forma de potenciarlos.

“Las baterías estructurales son extremadamente útiles para la microelectrónica, porque el volumen es muy restringido”, dice Xiao. Si bien es posible reducir las baterías convencionales al tamaño de un grano de arroz, estas células aún ocupan un espacio valioso en microelectrónica. Pero las baterías estructurales no ocupan más espacio que el propio dispositivo. En PNNL, Xiao y sus colegas han estudiado algunos de los temas fundamentalescon el diseño de microbaterías, como cómo mantener la alineación entre electrodos cuando una batería estructural está doblada o torcida. “Desde el punto de vista del diseño, es muy importante que los electrodos positivo y negativo estén uno frente al otro”, dice Xiao. “Entonces, incluso si podemos aprovechar los espacios vacíos, si esos electrodos no están alineados, no participan en la reacción química. Así que esto limita los diseños de baterías estructurales de forma irregular “.

Xiao y su equipo han trabajado en varias aplicaciones científicas de nicho para baterías microestructurales, como etiquetas de seguimiento inyectables para salmones y murciélagos. Pero ella dice que todavía pasará un tiempo antes de que encuentren una aplicación generalizada con tecnologías emergentes como la piel electrónica para prótesis. Mientras tanto, sin embargo, las baterías estructurales podrían ser de gran ayuda para los robots hambrientos de energía. En un laboratorio del campus de Ann Arbor de la Universidad de Michigan, el químico e ingeniero químico Nicholas Kotov supervisa una colección de pequeños robots biomiméticos que desarrolló con sus estudiantes de posgrado. “Los organismos distribuyen el almacenamiento de energía por todo el cuerpo para que tengan funciones dobles o triples”, dice Kotov. “La grasa es un gran ejemplo. Tiene mucho almacenamiento de energía. La pregunta es: ¿cómo lo replicamos? ”

El objetivo del equipo es crear máquinas que imiten a los animales, por lo que requieren una fuente de energía que pueda integrarse con sus esqueletos robóticos, al igual que la grasa y los músculos del nuestro. Algunas de sus últimas creaciones incluyen escorpiones robóticos, arañas, hormigas y orugas que se deslizan por el suelo. Todos ellos están alimentados por una batería estructural única integrada con sus partes móviles. La batería se encuentra en la parte posterior del robot como una carcasa plateada, y energiza y protege las tripas mecánicas del robot. Es seguir el ejemplo de la naturaleza para mejorar lo antinatural.

A diferencia de las láminas de fibra de carbono y de iones de litio que están desarrollando Asp y Greenhalgh, Kotov y sus estudiantes crearon una batería estructural de zinc-aire para sus autómatas. Esta química celular es capaz de almacenar mucha más energía que las células Li-ion convencionales. Consiste en un ánodo de zinc, un cátodo de tela de carbono y un electrolito semirrígido hecho de nanofibras a base de polímeros que está diseñado por nanoingeniería para imitar el cartílago. Los portadores de energía en este tipo de batería son iones de hidróxido que se producen cuando el oxígeno del aire interactúa con el zinc.

Si bien las baterías estructurales para vehículos son muy rígidas, la celda desarrollada por el equipo de Kotov está destinada a ser flexible para hacer frente a los movimientos de los robots. También son increíblemente densos en energía. Como Kotov y su equipo detallaron en un artículo publicado a principios de este año, sus baterías estructurales tienen 72 veces la capacidad energética de una celda de iones de litio convencional del mismo volumen. Por ahora, sus baterías se están utilizando para alimentar juguetes robóticos y pequeños drones como prueba de concepto. Pero Kotov dice que espera que se utilicen en robots de tamaño mediano, así como en drones de afición más grandes en un futuro no muy lejano. “Los drones y los robots de tamaño mediano necesitan nuevas soluciones para el almacenamiento de energía”, dice Kotov. “Puedo garantizarles que las baterías estructurales serán parte de eso”.

La batería siempre ha sido un apéndice, un factor limitante y un parásito. Hoy se desvanece ante nuestros ojos, se funde en el tejido de nuestro mundo electrificado. En el futuro, todo será una batería y el almacenamiento de energía independiente parecerá tan pintoresco como los teléfonos fijos y los reproductores de CD portátiles. Es un acto de desaparición digno de un gran mago: ahora lo ves, y pronto no lo verás.

Fuente: https://www.wired.com/story/the-batteries-of-the-future-are-weightless-and-invisible/

Deja un comentario