Investigadores de Harvard han creado una batería de estado sólido que se carga en diez minutos y dura 30 años, pero la tecnología tan publicitada sigue siendo una solución a largo plazo para la transición energética.
La gente está adoptando de forma lenta pero segura los vehículos eléctricos (EV), pero el ritmo de esa transición aún debe acelerarse para que el mundo alcance su objetivo de emisiones netas cero en 2050. A pesar de las mejoras exponenciales de los vehículos eléctricos, muchos conductores todavía se muestran reacios a abandonarlos. detrás de la comodidad de sus coches de gasolina. Además del costo, las preocupaciones sobre la falta de estaciones de carga y la duración de la batería fueron citadas como las principales barreras para que los consumidores estadounidenses compren un vehículo eléctrico en una encuesta de Ipsos Mori el año pasado. Para los fabricantes de automóviles, gran parte de esto se debe a las persistentes restricciones sobre el alcance y la longevidad de las actuales baterías de iones de litio (Li-ion) bajo los capós de los vehículos eléctricos.
Sin embargo, un equipo de científicos de la Universidad de Harvard cree haber dado un paso importante para resolver estos dilemas. Investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) han desarrollado un nuevo "de Estado sólido" Batería que puede cargarse en el tiempo que lleva llenar un tanque de gasolina y soportar de 3 a 6 veces más ciclos de carga que la batería típica de un vehículo eléctrico.
Las baterías de estado sólido han sido consideradas durante mucho tiempo el santo grial de una transición generalizada hacia el transporte electrificado, y la carrera por comercializarlas se ha acelerado en los últimos años. Empresas como Toyota y Volkswagen están desarrollando sus propias versiones, que esperan incorporar a los vehículos a finales de esta década. Con el impulso de esta última innovación de Harvard, ¿están finalmente las baterías de estado sólido listas para estar a la altura de sus expectativas?
Los beneficios de los electrolitos sólidos sobre los líquidos
Hoy en día, las baterías de iones de litio llevan la batuta; se utilizan en todo, desde teléfonos móviles y portátiles hasta vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía. Los investigadores y fabricantes han reducido el precio de las baterías de iones de litio en un 90% durante la última década y creen que pueden hacerlas aún más baratas. También creen que pueden fabricar una batería de litio aún mejor.
Estas baterías utilizan un electrolito líquido para mover iones entre un cátodo y un ánodo durante la descarga y la carga. Sin embargo, el líquido es inflamable e impide la adición de materiales que prolongan la vida útil de la batería. Los investigadores creen que una solución sería utilizar electrolitos sólidos en lugar de líquidos.
Estas baterías de estado sólido prometen una amplia variedad de ventajas sobre sus contrapartes de base líquida. Sobre todo, ofrecen una mayor densidad energética; lo que significa que pueden almacenar más energía por unidad de volumen o peso, lo que da como resultado una mayor duración de la batería o paquetes de baterías más pequeños y livianos. También prometen un ciclo de vida más largo; soportando más ciclos de carga-descarga sin degradarse, aumentando así la vida útil de la batería. El uso de un electrolito sólido también permite una carga mucho más rápida sin riesgo de dañar la batería debido a un transporte de iones más eficiente.
Las baterías de estado sólido pueden funcionar en un rango de temperatura más amplio que las baterías de base líquida, lo que permite un mejor uso en condiciones climáticas extremas. Generalmente se consideran más seguras porque un electrolito sólido reduce el riesgo de cortocircuitos y sobrecalentamiento, lo que puede provocar incendios o explosiones en las baterías de base líquida. Por último, el electrolito sólido se puede fabricar a partir de una gama más amplia de materiales más baratos y respetuosos con el medio ambiente.
En general, las baterías de estado sólido tienen el potencial de revolucionar la industria de las baterías al ofrecer un mejor rendimiento, seguridad y longevidad en comparación con las baterías tradicionales de iones de litio. "Debido a su alta densidad de energía, las baterías de estado sólido serán más apropiadas para los vehículos eléctricos que para los sistemas de almacenamiento de energía [estacionarios], y realmente pueden contribuir de manera clave a la electrificación del transporte pesado", dice Teo Lombard, modelador de energía de transporte en la Agencia Internacional de la Energía (AIE).
“Un salto adelante” en el diseño de baterías de estado sólido
Los investigadores de SEAS desarrollaron una batería del tamaño de un sello postal utilizando un diseño de “pila de bolsa”, en lugar de la típica variante de “pila de botón”. La batería conservó el 80% de su capacidad después de 6,000 ciclos de carga y funcionó bien a bajas temperaturas. Superó a otras baterías de estado sólido ya que los investigadores encontraron una manera de fabricarla con un ánodo de metal de litio, que tiene diez veces la capacidad del ánodo de grafito típico.
El nuevo diseño multicapa y multimaterial pudo superar el problema generalizado de las "dendritas", estructuras en forma de raíces que crecen desde la superficie del ánodo hasta el electrolito. Estos pueden perforar la barrera que separa el cátodo opuesto, provocando un cortocircuito en la batería y, en ocasiones, incendiándose.
La vida útil prolongada de la batería (equivalente a unos 30 años) podría reducir notablemente el costo de los vehículos eléctricos, mientras que la capacidad de cargar la batería en cuestión de minutos le otorga una densidad de potencia excepcional que podría prestarse a otras aplicaciones.
“Pudimos cargar la batería en 5 a 10 minutos durante 6,000 ciclos; Por lo general, las baterías de los vehículos eléctricos tardan varias horas en cargarse y tienen entre 1,000 y 2,000 ciclos”, afirma Xin Li, profesor asociado de ciencia de materiales en SEAS e investigador principal del proyecto. “Nuestra investigación también muestra que se podrían utilizar otros materiales como ánodo, como plata, magnesio o silicio. Definitivamente es un paso adelante hacia la ampliación de la producción en masa de baterías de estado sólido”.
“Del laboratorio al mundo real”
Sin embargo, no todo el mundo está convencido. "El desafío actual de las baterías de estado sólido es la implementación y la ampliación, en lugar de conseguir algo aún mejor a nivel de celda", dice Lombard.
Desde una perspectiva de ingeniería, un desafío que la industria aún tiene que superar es fabricar un paquete de baterías de estado sólido que sea capaz de soportar una presión extremadamente alta y al mismo tiempo poder “respirar”: expandirse y contraerse. "La solución a este problema podría anular las ganancias en densidad de energía de las baterías de estado sólido, por lo que esa es realmente una pregunta que la industria debe responder en los próximos años mediante el proceso de ampliación", dice Lombard.
Desde la perspectiva de la seguridad, otro problema que los fabricantes de estado sólido deben superar es que incluso si una batería de estado sólido no se incendia cuando sufre un cortocircuito, otros materiales del motor sí podrían hacerlo. "Una vez más, se trata de un desafío de ingeniería que debe probarse y verificarse a nivel industrial", afirma Lombard.
Por último, existe el considerable obstáculo de construir una cadena de suministro para baterías de estado sólido. Según Lombard, las cadenas de suministro de baterías requieren materiales de alta calidad en volúmenes muy elevados, porque una batería no funciona ni siquiera con una cantidad minúscula de contaminantes. "Se necesita mucho tiempo para construirlo", dice. "Esto también se debe a que el campo más amplio de las baterías está creciendo exponencialmente, por lo que el estado sólido no está entrando en un mercado fijo, sino en uno en el que todas las tecnologías, incluida la batería tradicional de iones de litio, están mejorando increíblemente rápido y es necesario ganar algo de dinero. espacio en él”.
Para Lombard, el éxito de las baterías de estado sólido no se logrará a través de nuevos avances académicos – “por muy importante que sea este estudio”, advierte – sino más bien de cómo la industria resolverá los desafíos de ingeniería restantes y desarrollará la cadena de suministro asociada.
"Las baterías de estado sólido tienen un gran potencial, pero la forma en que la industria resuelva estos desafíos [de ingeniería] determinará si dominan el mercado de baterías para vehículos eléctricos o si siguen siendo una aplicación de nicho para automóviles y camiones de muy larga distancia", afirma.
Según una investigación reciente de Focus, una plataforma de análisis de inteligencia artificial que predice avances tecnológicos basándose en datos de patentes globales, la tecnología de baterías de estado sólido está mejorando a un ritmo del 31% año tras año. Aunque impresionante, actualmente ese ritmo no es suficiente para perturbar a los titulares: las baterías de iones de litio mejoran a un ritmo similar del 30.5%.
La AIE ha pronosticado que las baterías de estado sólido desempeñarán un papel importante en la transición neta cero, en particular para descarbonizar el transporte pesado a través de aplicaciones como los camiones eléctricos. "Pero es importante que no exageremos ni subestimemos la industria", dice Lombard. Si las baterías de estado sólido logran alcanzar su potencial, será en algún momento de la década de 2030, predice. "En este momento, realmente es necesario trasladarlos del laboratorio al mundo real".
Por su parte, Li cree que será alrededor de 2030 cuando el estado sólido se generalice. “Antes de eso, todavía quedan muchas barreras técnicas que superar”, afirma. "Los avances [recientes] no necesariamente adelantan la fecha de 2030, sino que la hacen posible".
Fuente de Solo coche
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