Prepárese para los nuevos avances en tecnología de baterías en 2021

Desde que Volta descubrió en 1800 que ciertos líquidos generaban un flujo de energía eléctrica como parte de una reacción química, nació la era de las baterías. Poco sabía Volta que tendría una unidad nombrada en su honor (probablemente uno de los mayores honores que un científico puede recibir), y su descubrimiento sería la base de toda la tecnología móvil utilizada hoy en día. Avanzando hasta hoy, y la estructura fundamental de las baterías todavía coincide con la que se usaba en la celda de Daniell, introducida por primera vez en 1836.

Hoy en día, la conversación sobre las baterías se ha centrado en su uso como habilitadores para otras tecnologías, como la consolidación de fuentes de energía renovable y vehículos eléctricos. A pesar de los avances históricos y recientes en la tecnología de baterías, aún quedan muchos desafíos para hacer las baterías más amigables con el medio ambiente, más baratas y más seguras en descargas de alta intensidad. Sin embargo, muchas empresas están trabajando en el desarrollo de nuevas plataformas de materiales para baterías sin realizar cambios importantes en la química de las baterías.

Desafíos de las Baterías de Hoy

Los desafíos presentes en las baterías de hoy y los sistemas de almacenamiento de energía se centran en la seguridad y la amigabilidad ambiental. La química de batería de mejor clase actual para la entrega de energía es la de Li-ion, que también tiene los mayores peligros de seguridad, sin embargo, sigue siendo comparable con la química de níquel metal en términos de capacidad. Dado que la química de litio ya ofrece algunas ventajas en términos de entrega de energía, ha sido el foco de un mayor desarrollo y mejoras. A pesar de sus ventajas, las baterías de Li-ion tienen sus inconvenientes:

• Vida útil: Aquí, nos referimos a la vida útil total de la batería, en lugar de la capacidad de carga. La vida útil de las baterías de Li-ion se ve muy afectada por la profundidad de carga/descarga, la tasa de carga/descarga, el número de ciclos de carga, la temperatura de operación y la geometría de la celda. 

• Seguridad de carga/descarga: Las baterías de Li-ion requieren un circuito de monitoreo y protección de energía para prevenir el sobrecalentamiento y la sobrecarga. De manera similar, durante un ciclo de descarga, el circuito de protección limita la tasa de descarga para evitar que el voltaje de la celda caiga demasiado bajo. 

• Factor de forma vs. capacidad: Aunque los smartphones se han vuelto más planos, el tamaño de la batería ha aumentado para proporcionar una mayor capacidad. Como resultado, más componentes están siendo consolidados en SoCs y en placas flexibles para hacer espacio para baterías más grandes. Es deseable aumentar la capacidad sin aumentar el tamaño físico de la batería.

• Reciclabilidad: La oleada de nuevos vehículos eléctricos proyectados para entrar en línea en un futuro cercano plantea serias preocupaciones sobre el fin de la vida útil de las baterías de Li-ion. Pueden ser necesarios materiales más nuevos y estructuras de baterías para reducir la energía requerida para reciclar una batería de Li-ion.

Los paquetes de baterías de polímero de iones de litio ofrecen un factor de forma flexible con capacidad y características de carga/descarga competitivas. Los materiales más recientes pueden permitir una mayor seguridad con una entrega de energía y capacidad superiores.

Los avances en la tecnología de baterías comienzan con los materiales

Los avances más recientes en la tecnología de baterías se han centrado en alejarse de la química alcalina y la química de níquel metal hacia la química del litio. Los próximos avances en la tecnología de baterías se centran principalmente en materiales que abordan los desafíos mencionados anteriormente, y no necesariamente en los métodos y componentes externos de gestión de energía. Si observas la industria de las baterías, hay dos áreas donde las empresas están innovando con nuevos materiales: los electrodos y los electrolitos.

Materiales de Ánodo/Cátodo Semi-porosos

Los materiales porosos ofrecen algunas ventajas únicas en los materiales de ánodo y cátodo de baterías siempre y cuando puedan proporcionar baja resistencia y alta conductividad térmica, esta última aborda una preocupación de seguridad primaria en baterías de alta potencia/capacidad para vehículos eléctricos. Un ejemplo de material de ánodo es el grafito recubierto con nanocintas de carbono, que puede incorporarse fácilmente en ánodos existentes para baterías de Li-ion. La naturaleza porosa de este material particular proporciona una superficie activa más grande, lo que permite un mayor flujo de carga hacia/desde el terminal del ánodo y un almacenamiento de Li-ion mayor que un electrodo de grafito sólido.

Baterías Todo Sólido

Las baterías de estado sólido son de interés ya que permiten reemplazar un electrolito líquido inflamable por un electrolito sólido no inflamable. El litio también es de interés aquí ya que esto permitiría preservar la química de estos sistemas. A principios de este año, Samsung anunció el desarrollo de una plataforma de batería de Li-ion todo sólido. La batería de Samsung utilizaba un material compuesto de plata-carbono como ánodo para suprimir el crecimiento dendrítico de un ánodo metálico. Estas baterías aún no están disponibles comercialmente, aunque se sabe que el uso de electrolitos sólidos es más seguro en comparación con los electrolitos líquidos utilizados en las baterías comerciales de hoy.

Empresas como Toyota, Nissan y Quantumscape respaldada por VW están construyendo sus propias plataformas de baterías de estado sólido para vehículos eléctricos. Una vez comercializadas, estas plataformas podrían ser un cambio de juego para los vehículos eléctricos ya que podrían ofrecer un mayor alcance en un paquete más pequeño sin aumentar el tiempo de carga. Esto pone el foco de nuevo en los diseñadores de placas para construir los mejores sistemas de gestión para apoyar las plataformas de baterías de vehículos que sean seguras y tengan la mayor eficiencia posible.

Materiales Separadores

Esta sigue siendo un área de investigación científica ya que las membranas separadoras necesitan ser altamente duraderas y porosas. El poliolefina se utiliza como separador en las baterías comerciales de Li-ion, y cualquier nuevo material separador necesitaría permitir un alto intercambio de iones sin generar exceso de calor. También necesita tener alta resistencia mecánica y estabilidad química. Los investigadores todavía están investigando nuevos materiales separadores para cumplir con estas demandas sin incurrir en cambios mayores en la química de la batería o las características eléctricas.

Algunos ejemplos de materiales para membranas separadoras. [Fuente]

¿Por qué el enfoque en usar las mismas plataformas de materiales que ya han sido comercializadas? La química actual utilizada en las baterías líderes de la industria (química alcalina o de litio) ha sido exhaustivamente estudiada y calificada para la seguridad, tanto por los reguladores gubernamentales como por la propia industria de baterías. Una vez que cambias la clase de materiales, también cambias la química, y el extenso proceso de evaluación comienza de nuevo. Por lo tanto, muchos en la industria dudan en alejarse de las plataformas de materiales existentes; la inversión y los riesgos son simplemente demasiado altos.

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