Investigadores del Laboratorio Nacional de Argonne y el Instituto de Tecnología de Illinois crearon una batería de estado sólido que podría utilizarse para ampliar enormemente la gama de vehículos eléctricos. Por ahora es una celda de batería a escala de laboratorio, del tamaño de una moneda de diez centavos, que podría incluso desbloquear la capacidad de utilizar baterías en aviones de corta distancia y camiones pesados.
Larry Curtiss, químico senior de Argonne ha estado en el laboratorio durante más de 40 años y sabe por experiencia que los resultados iniciales pueden no ser repetibles. Pero él y sus colegas de las dos instituciones del área de Chicago descubrieron que su trabajo podía replicarse. Los resultados se publicaron en la revista Science.
La mayoría de los vehículos eléctricos actuales funcionan con baterías de iones de litio. Cuando las baterías se están cargando, los iones fluyen de un lado (el cátodo) al otro lado (el ánodo). Luego se invierten cuando se descargan. Los iones hacen este viaje al pasar a través de un electrolito, que es un líquido o gel, reseña Inside Climate News.
En las baterías de estado sólido, el electrolito es sólido, a menudo un material cerámico. La batería en general puede contener más electricidad por unidad de masa que las baterías de iones de litio actuales por una variedad de razones de diseño.
Los fabricantes de automóviles y de baterías están trabajando para desarrollar baterías de estado sólido. Ven el potencial de rangos más largos debido a una mayor densidad de energía. Y las baterías serían más seguras porque son menos inflamables que los sistemas actuales de iones de litio.
Batería compacta de estado sólido
El diseño de Argonne e Illinois Tech es una versión de una batería de litio-aire. Una categoría que existe desde hace una década pero que aún no ha tenido un gran avance comercial.
En esta batería específica, el ánodo está hecho de una forma sólida de litio. La parte de «aire» proviene del aire exterior que fluye a través de pequeños orificios en el cátodo. El oxígeno del aire reacciona con los iones de litio que han pasado a través del electrolito sólido. El electrolito está hecho de una combinación de materiales cerámicos y poliméricos, un sólido que aún permite el paso de iones.
Para comprender qué hace que esta batería para coches eléctricos sea diferente, es útil saber que en las baterías de litio-aire anteriores, cada molécula de oxígeno reaccionaría con uno o dos electrones. En esta nueva batería de estado sólido, cada molécula de oxígeno reacciona con hasta cuatro electrones.
Piense en esto como cuando está descargando una cajuela llena de bolsas de supermercado del automóvil. Es mucho más eficiente si puede llevar cuatro maletas en cada viaje en lugar de una o dos.
Entonces, ¿por qué las moléculas de oxígeno en esta batería reaccionan con más electrones? Es complicado, y los investigadores todavía están en el proceso de responder esa pregunta. Pero la respuesta más probable es que la combinación de materiales da como resultado un entorno que engatusa al oxígeno para que tenga la reacción de cuatro electrones.
Potencial en transporte marítimo y aéreo
Las implicaciones del mundo real de la tecnología son sustanciales, con el potencial de baterías que podrían alimentar un EV por 1600 kilómetros con una sola carga. Eso es mucho, incluso si se compara con otros diseños de baterías de estado sólido, y es de tres a cuatro veces más que la mayoría de los vehículos eléctricos actuales.
Mohammad Asadi, ingeniero químico de Illinois Tech, fue otro líder del equipo que desarrolló la batería y coautor del artículo.
“Se trata de la química y la densidad de energía”, dijo sobre lo que hace que esta batería sea especial. Para él, uno de los aspectos más emocionantes de esta investigación es el potencial para desarrollar baterías para su uso en el transporte marítimo y la aviación. Esos modos de transporte necesitan tanta energía que los paquetes de baterías no han sido prácticos debido al tamaño y peso considerables que se necesitarían.
Al observar el potencial de los autos. La batería podría usarse para autos eléctricos con alcances súper largos, pero no veo que sea el uso más práctico. Un mejor uso sería ayudar a fabricar estos vehículos que tengan paquetes de baterías mucho más pequeños que los actuales. Pero que aún puedan tener rangos sustanciales. Esto reduciría el peso de un automóvil y su costo.
Pero esta es una investigación en etapa inicial que probablemente esté a una década de llegar al mercado, si es que alguna vez llega al mercado. Uno de los desafíos iniciales sería convertir la celda a escala de laboratorio en un prototipo, que sería unas 100 veces más grande.
Mientras tanto, los fabricantes de automóviles y baterías están a solo unos años de lanzar los primeros automóviles con baterías de estado sólido.
En proyectos
Toyota dijo el año pasado que tendría una batería de estado sólido para 2025, pero sería un híbrido de gasolina y electricidad en lugar de un vehículo totalmente eléctrico. La decisión de no construir un EV es un rasguño de cabeza, pero está en línea con la continua afición de Toyota por los híbridos.
Todos los principales fabricantes de automóviles están trabajando en baterías de estado sólido, ya sea internamente o mediante asociaciones con fabricantes de baterías como QuantumScape y Solid Power. Los planes varían. Pero apuntan a tener algunos vehículos eléctricos con las baterías en el mercado dentro de unos cinco años y tener muchos más en el mercado a principios de la década de 2030.
Nissan se fijó el objetivo hace dos años de aumentar la producción de baterías de estado sólido a un ritmo para comenzar a vender un EV con la tecnología para 2028. Y un ejecutivo de la compañía dijo el mes pasado que la compañía está en camino de alcanzar ese objetivo.
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