¿Cuándo hará un gran avance la nueva tecnología de baterías?

Se puede decir que la batería es una necesidad en nuestras vidas. Los productos electrónicos como los teléfonos móviles y las computadoras son inseparables de las baterías. Por lo tanto, el desarrollo del campo de las baterías también ha recibido una gran atención. Los científicos también están trabajando en el desarrollo de nuevas baterías que tengan un almacenamiento de energía más fuerte y una vida útil más larga. En diferentes campos, los científicos están desarrollando baterías que son más adecuadas para este campo, porque ninguna batería puede ser adecuada para todos los campos.

El mundo está esperando un gran avance en las baterías. Casi todas las partes de la industria electrónica requieren baterías, que están limitadas por la potencia de salida y la vida útil de la batería.

"El desarrollo o avance de la batería es mucho más lento que en otros campos, que es la limitación de la batería en sí." No se puede esperar tener baterías que alimenten su teléfono durante una semana o un mes ", dijo Stefano Passerini, editor de Journal of Potencia. Para decirlo sin rodeos, la energía máxima almacenada en la batería está determinada por los elementos inherentes ".

Pero ha habido avances en esta área. Los investigadores están trabajando para aumentar la densidad de energía (relación volumen-capacidad), el valor, la seguridad, el impacto ambiental y la vida de prueba de las baterías de iones de litio, y están diseñando nuevos tipos de baterías.

Las baterías se utilizan principalmente en tres industrias: electrónica de consumo, automóviles y almacenamiento en red.

"Yo llamo a estas tres industrias las tres áreas principales donde las personas se conectan a las baterías", dijo Venkat Srivasan, subdirector de investigación y desarrollo de Joint Energy'sJointCentre Energy Research. Cada campo tiene diferentes requisitos para las baterías, por lo que las baterías utilizadas pueden (a veces) ser muy diferentes. El teléfono en su bolsillo necesita una batería fuerte y segura, el peso y el costo no cuentan. Para la industria de las baterías de automóviles, se requieren muchas baterías, por lo que el costo y el peso, así como la vida útil del reciclaje (si Xintesila necesita reemplazar las baterías nuevas cada dos años, se volverá loco), se vuelven muy importantes. Las baterías que se utilizan para almacenar electricidad en casas y redes eléctricas no tienen requisitos elevados de peso o tamaño.

La electrónica de consumo (teléfonos móviles, computadoras, cámaras, tabletas, drones e incluso relojes) ha utilizado baterías de iones de litio durante décadas debido a su facilidad de carga y alta densidad de energía. En estas baterías, las celosías de grafito llenas de iones de litio forman ánodos. Los óxidos forman un cátodo y están conectados a puertos opuestos, y los dos están separados por electrolitos líquidos que permiten el paso de los iones. Cuando los puertos externos están conectados, la oxidación de litio y los iones de litio fluyen hacia el cátodo. Lo contrario es cierto cuando se carga. Cuantos más iones de litio se puedan transferir de esta forma, mayor será la potencia de la batería. Independientemente de la duración y la seguridad de la batería, el tamaño y la facilidad de uso de las baterías de litio también son muy populares. Sin embargo, Passerini afirmó que hay un espacio limitado para una mayor optimización de las baterías de litio.

"Las baterías de litio están ahora cerca de su límite", dijo. "Aunque dijimos lo mismo hace 10 años, las mejoras de los últimos 10 años no han sido pequeñas".

En la industria del automóvil, las baterías determinan en última instancia la vida útil de los automóviles y el miedo y la ansiedad de los automóviles eléctricos. Para resolver este problema, los ingenieros y científicos están tratando de llenar más capacidad de voltaje en la batería. Sin embargo, la reducción de la capacidad de voltaje suele estar relacionada con las reacciones químicas dentro de la batería. Las reacciones químicas que ocurren con el tiempo aumentarán gradualmente y la capacidad disminuirá gradualmente. Una gran cantidad de estudios se han centrado en encontrar nuevos materiales y productos químicos para ayudar o reemplazar las celosías de iones de litio u otras partes de la batería.

Srinivasan señaló algunas innovaciones potenciales que pueden usarse no solo en automóviles: la celosía tradicional de ánodo de grafito se puede reemplazar con silicio, que tiene más de 10 veces más iones de litio. Pero el silicio se expande cuando absorbe iones de litio, por lo que los investigadores deben resolver este problema. O el litio puede actuar como un ánodo en lugar de una rejilla, pero no sabemos cómo evitar que se produzca un cortocircuito durante la carga. Los fabricantes de baterías han estado tratando de resolver este problema desde que se introdujeron las baterías de litio hace décadas. "Tenemos muchas esperanzas de poder resolver este problema de 30 años ahora", dijo Srinivasan.

Quizás el litio pueda reemplazarse por completo. Los investigadores buscan reemplazarlo con sodio o magnesio, y el centro de investigación de almacenamiento de energía conjunta está utilizando modelos informáticos para estudiar el cátodo que usa materiales de óxido específicos como ánodos de magnesio. El magnesio es muy ventajoso porque su estructura permite que cada átomo acepte dos electrones, lo que duplica la carga que puede almacenar el magnesio.

PrashantJain y sus colegas de la Universidad de Illinois están estudiando otro componente de las baterías de litio: los electrolitos. Los electrolitos son fluidos que llenan el espacio entre los cationes (iones cargados positivamente) y los aniones (iones cargados negativamente) y permiten que fluyan las partículas cargadas. Se sabe desde hace mucho tiempo que ciertos materiales sólidos, como el seleniuro de cobre, también permiten el flujo de iones, pero no pueden operar equipos de alta potencia con la suficiente rapidez. Jain, profesor asistente de química, y sus estudiantes desarrollaron un sólido superiónico hecho de nanopartículas de seleniuro de cobre con diferentes propiedades. Permite que las partículas cargadas fluyan a una velocidad comparable a la de los electrolitos líquidos.

Los beneficios potenciales de esta tecnología son dobles: seguridad y ciclo de vida. Si la batería de iones de litio actual está dañada, la batería se cortocircuita y se calienta, y luego el líquido se evapora, nada impide la rápida liberación de energía. Los sólidos evitarán cortocircuitos y pueden utilizar ánodos totalmente metálicos para proporcionar una mayor capacidad de energía. Además, en ciclos repetidos, el electrolito líquido disuelve el cátodo y el ánodo, que es la razón principal por la que la batería no se puede cargar.

"Todas estas mejoras incrementales han logrado algún progreso. Pero nunca ha habido un gran avance que haya conmocionado al mundo. Los electrolitos sólidos tienen la misma capacidad de transmisión que los líquidos", dijo Jain. "Pero esto trae problemas de seguridad. Quizás necesitemos usar electrolitos sólidos. Abre el agujero del cerebro. De un solo golpe, haga algo que pueda reemplazar completamente el electrolito líquido. "

Rongyujiaoshouyuehan · gudenuofu, uno de los primeros co-inventores de baterías de litio en la Universidad de Texas, está adoptando un enfoque diferente para los electrolitos de estado sólido al publicar y presentar una patente de batería con un electrolito a base de vidrio. Al impregnar el vidrio con litio o sodio, Goodenough ha podido acelerar el flujo de corriente, al tiempo que utiliza ánodos sólidos para evitar cortocircuitos y aumentar la capacidad energética.

Toda esta investigación tendrá un impacto en las baterías de nuestros bolsillos y coches. Pero hay un tercer uso de la batería y su impacto es global.

MelanieSanford utiliza herramientas de modelado en diferentes tipos de baterías (grandes celdas de flujo de líquido Redox) que almacenan electricidad de plantas de energía renovable y liberan energía cuando la generación de energía eólica y solar no está disponible. El nivel de producción y consumo de energía durante la noche ayudará a que la energía renovable se expanda más allá de su función de energía de respaldo.

Edison, en el sur de California, ya está probando el banco de baterías con baterías de automóvil Tesla, pero debido a que la batería es una batería tradicional de litio, el costo es demasiado alto para promocionarlo ampliamente a nivel mundial de energía renovable. Además, la limitación de las baterías de red es muy diferente a la de los automóviles. El peso y el tamaño no son problemas, pero los precios y los ciclos de vida son cuestiones que deben tenerse en cuenta.

En las baterías de flujo líquido Redox, el material de almacenamiento de energía se mantiene en un recipiente grande en forma de líquido, que luego se bombea a una batería más pequeña y reacciona con análogos con cargas opuestas. El modelado por computadora ha permitido al laboratorio de Sanford personalizar moléculas orgánicas, aumentando su capacidad en miles; estas moléculas permanecen estables por menos de un día a unos pocos meses.

"La red eléctrica necesita materiales ultrabaratos porque las baterías de las que estamos hablando aquí son muy grandes", dijo Sanford. "De lo que estamos hablando es de parques eólicos y almacenes para baterías del mismo tamaño".

Según Sanford, la dirección de la innovación es principalmente desarrollar nuevos materiales que puedan usarse en baterías a través de la ciencia de los materiales. Por otro lado, la innovación requiere que los ingenieros creen sistemas que hagan que estos materiales sean más eficientes. Ambos son indispensables, pero el proceso desde la investigación hasta la producción seguramente será otro cuello de botella.

"Todo el mundo debería darse cuenta de que no se puede utilizar ninguna batería en todos los escenarios", dijo Passerini. "Obviamente, incluso si sólo mejorar el rendimiento de 10 <UNK> 20 o <UNK>, que es increíble. Debemos continuar nuestra investigación en este campo, y los científicos necesitan su apoyo."

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