Tu próxima batería podría estar impresa en papel

La agitación en la cadena de suministro parece estar en todas partes, extendiéndose desde los semiconductores hasta una gama de materias primas. Con los precios de las materias primas y los recursos naturales fluctuando tanto ante eventos geopolíticos, y con la creciente demanda de vehículos eléctricos, el mundo podría enfrentar una escasez de litio para 2025 (según una evaluación de la Agencia Internacional de Energía). Ante la creciente demanda de litio, investigadores en la academia y la industria han buscado materiales alternativos para baterías para superar estos desafíos.

Uno de los desarrollos más interesantes fue producido por investigadores de los Laboratorios Federales Suizos de Ciencia y Tecnología de Materiales (Empa). Los hallazgos de la investigación se publicaron en un número reciente de Nature. Anunciaron un innovador material para baterías activado por agua que es imprimible en una hoja de papel. En teoría, este material electroquímicamente activo podría imprimirse en cualquier material de sustrato, como un aislante flexible como el plástico.

Aunque nadie sugiere el uso de baterías de papel para vehículos eléctricos, el material puede producir hasta 1.2 V en una sola celda (comparable a las químicas de baterías Ni-MH). Por lo tanto, pilas de este tipo de material podrían usarse como una pequeña batería desechable para electrónica portátil u otros dispositivos pequeños. Esto no es la solución mágica para la escasez de litio, pero estos materiales alternativos podrían permitir la desviación del litio hacia áreas mucho más críticas como los VE.

Un Material de Batería Basado en Tinta

El material desarrollado por los investigadores de Empa es en realidad un material estratificado a base de carbono que involucra grafito, negro de carbono, zinc como ánodo y sal. La química basada en carbono y sal puede activarse con la aplicación de agua, como se describe a continuación. La estructura estratificada de este material de batería se muestra en el gráfico a continuación.

Las capas superior e inferior de grafito + negro de carbono actúan como las capas activas que participan en la reacción electroquímica de la batería. Cuando se recubren con sal y se exponen al agua, la reacción electroquímica resultante puede hacer que la corriente fluya a través de un circuito conectado.

Este descubrimiento particular no es un sistema viable, es solo una demostración de una nueva química que sí produce suficiente energía para alimentar pequeños electrónicos. La salida de energía siendo compatible con baterías Ni-MH y alcalinas muestra que el material es viable desde un punto de vista electroquímico. El aspecto comercial es otro asunto, como detallo a continuación.

Entonces, ¿es esto un reemplazo para las químicas de baterías estándar con las que todos estamos familiarizados? Probablemente no, pero los materiales de carbono se están utilizando en químicas basadas en Li como material de ánodo, proporcionando varios beneficios para sistemas electrificados.

Materiales Alternativos Atractivos, Pero con Largo Camino por Delante

Aunque los materiales alternativos para baterías destinados a sustituir totalmente las químicas existentes (incluido el litio) son un tema de investigación en curso, este camino tiene un largo recorrido y el camino hacia la comercialización está lleno de riesgos. Por lo tanto, la industria de materiales para baterías se ha centrado en mejoras en el diseño de las baterías, incluido el uso de materiales similares que mejoran la operación de las baterías sin cambiar la química en las baterías.

¿Por qué deberíamos preocuparnos por los cambios en la química de las baterías? Desde la perspectiva de la sostenibilidad y asegurando que la demanda de electrificación pueda ser satisfecha, encontrar una química alternativa que sea comparable al litio es un camino atractivo. El problema viene de la comercialización: las químicas basadas en Li y otras químicas basadas en metales son bien entendidas y ya han sido calificadas desde una perspectiva de seguridad. Esto hace que construir sobre las químicas fundamentales basadas en Li sea una opción atractiva desde una perspectiva de riesgo y responsabilidad. Si se desarrolla una nueva química y hay un camino hacia la comercialización, la nueva química necesitará demostrar algún nivel de cumplimiento regulatorio así como prueba de fiabilidad para los clientes.

Por estas razones, el enfoque reciente entre los desarrolladores de materiales para la industria de baterías ha sido el uso de materiales de carbono para mejoras incrementales dentro de los diseños de baterías existentes. Los diseñadores de baterías pueden aprovechar el conocimiento existente en fabricación de baterías, pruebas y control de calidad en estos nuevos diseños de baterías mientras aún reciben los beneficios de la química basada en carbono.

Algunos de los principales beneficios de los materiales basados en carbono utilizados en las químicas de baterías existentes incluyen:

Uno de los principales materiales basados en carbono que se están desarrollando para mejorar las baterías de Li-ion es el grafito funcionalizado, que puede ser fabricado fácilmente y utilizado para construir ánodos para sistemas de baterías de Li-ion. Otro material basado en carbono son los nanotubos de carbono, que se benefician de su alto transporte de carga balística a lo largo de la dirección axial. Cuando se incorporan en sistemas de baterías, estos materiales ofrecen mayores tasas de carga/descarga y capacidades en una química de baterías ya fiable.

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