¿Qué ha cambiado de batería a batería de litio?

Whitingham, pionero de las baterías, dijo: "Solo conocemos un poco de pelo". A medida que el mundo hace todo lo posible por deshacerse de su dependencia de los combustibles fósiles, es probable que las baterías desempeñen un papel cada vez más importante en nuestra vida diaria, y las baterías de litio son aún peores.

¿Puede la batería competir con la capacidad de almacenamiento de gasolina en el futuro?

Hace tres años, el periodista científico Farhad Manjoo escribió un artículo para la revista en línea estadounidense diciendo que "una batería mejor salvará al mundo", pero el subtítulo "replicaba" el titular que decía "lástima". Es imposible hacerlo ”. Aunque el sector automotriz acababa de lanzar Tesla S, Nissan LEAF, Chevrolet Volt, y lanzó una gran cantidad de nuevos vehículos híbridos y eléctricos puros, desde autos económicos hasta dos Porsche híbridos de lujo.

Los problemas que prevén Manoyo y otros son multifacéticos: (1) las baterías de los automóviles son muy caras; (2) la “densidad de energía” (la cantidad de energía por unidad de peso) parece ser mucho peor que la gasolina; (3) Puede haber peligro: el material clave emergente de la batería, el litio en sí, es inestable y se convierte en polvo en el aire. Un problema es que la humedad puede explotar. Otro problema es que el material está "aislado" y existe la posibilidad de "descomposición en caliente" - calentamiento rápido hasta que se incendia. Por lo tanto, es importante que el litio se mantenga fresco y seco.

Pero la última advertencia es precisamente por qué el litio es un material de batería atractivo: su energía peligrosa es una gran ventaja. Por lo tanto, existe un "sprint" silencioso de litio en la tecnología de baterías que ha mejorado y continúa mejorando. En los últimos años, debido al avance de las baterías, los vehículos de combustibles fósiles se han convertido en una opción "estética", no en una necesidad para la economía. Nuestra red urbana se volverá más compleja, más predecible, confiable y económica.

Choque de la batería

La batería del automóvil ha cambiado de plomo ácido a batería de litio, linterna de níquel-cadmio a diseño de iones de litio de mano, y la batería se ha vuelto más eficiente. Sin una batería de iones de litio, es casi seguro que no habrá una "sociedad de telefonía móvil". Pero al acercarnos a equipos grandes como vehículos y centrales eléctricas, donde podemos salvar nuestras vidas que consumen energía, hay muchos ganadores como el sistema A123 y sus patrocinadores, Fiskar Karma, Mori Energy, Avestor y Envia, que una vez impulsaron el Equipo de GM, todos perdieron millones y apenas huyeron de la puerta de salida.

Si alguien comprende los desafíos de la revolución de las baterías, es este hombre quien abrió la batalla por la invención de las baterías de iones de litio por Exxon a fines de la década de 1970. Es M. Stanley Whittingham, ahora profesor de química en la Universidad de Bingham en el norte del estado de Nueva York, quien predijo que "cada automóvil será un automóvil híbrido o eléctrico en 10 años".

Cree que hay muchas razones para ser optimista. Por ejemplo, se están dedicando muchos recursos a los desafíos técnicos de fabricar mejores baterías, desde pequeñas empresas de computación y universidades hasta universidades bien financiadas como los laboratorios de Harvard y Stanford, así como los principales laboratorios nacionales de EE. UU. Agung, Lawrence Livermore y San Diego, así como laboratorios en importantes empresas de Alemania, Holanda, Francia, Japón, Corea del Sur y China.

También existe una clara y urgente necesidad de reducir la necesidad de que los seres humanos emitan gases de efecto invernadero. Al reemplazar la energía de los combustibles fósiles, las baterías jugarán un papel importante. Los consumidores claramente necesitan energía renovable: por ejemplo, las ventas de automóviles eléctricos e híbridos están creciendo con fuerza.

Las mejores baterías ofrecen dos grandes premios: primero, vehículos eléctricos asequibles, que son la columna vertebral de nuestra futura “sociedad móvil”; segundo, redes eléctricas más flexibles y descentralizadas, porque las baterías estacionarias avanzadas serán más bajas. Los precios mantienen el suministro de electricidad a nuestros hogares y fábricas.

Poner fin a la ansiedad por el "kilometraje"

Los vehículos eléctricos e híbridos originalmente propuestos eran modestos, con un rango de 40-100 millas por carga (excepto los autos eléctricos Tesla de alto precio con 265 millas), y solo en condiciones ideales. Sin embargo, la segunda generación pronto alcanzará las 200 millas. La gran empresa de Corea del Sur, LGChem, suministra el Chevrolet Volt y el Ford Focus con paquetes de baterías, y se informa que su diseño actualizado de iones de litio llevará estos autos a 200 millas en 2016. El presidente y principal accionista de Tesla Electric, Elon Musk, dijo que su compañía estaba trabajando en nuevas baterías en agosto de este año, aumentando el rango de conducción de la compañía a 500 millas.

Al mismo tiempo, el costo de las baterías está disminuyendo. Según la firma de investigación Navigant, el precio de las baterías de las computadoras portátiles era de aproximadamente $ 1,000 por kWh hace cinco años, y los precios actuales están cerca de los $ 250 por kWh. En julio de 2012, McKinsey Company informó que el precio de las baterías de iones de litio avanzadas para automóviles caerá de $ 500 por kilovatio-hora en 2011 a $ 160 por kilovatio-hora. Según Favhan, el volumen de baterías aumentará de $ 12 mil millones en la actualidad a $ 75 mil millones en 2020.

En un futuro cercano, los autos a batería competirán con los autos que funcionan con gasolina al costo. Musk dijo una vez que el "Santo Grial" que funciona con baterías es de $ 100 por kilómetro; espera que se realice en "cinco o siete años". Tesla está trabajando con Panasonic Corporation of Japan para construir una "fábrica de baterías" de $ 5 mil millones en Sparks, Nevada, para fabricar baterías avanzadas que son rentables a escala. Se espera que produzca 500.000 paquetes de baterías al año, duplicando la producción mundial de baterías de iones de litio.

Potente BYD Qin

La batería tiene tres componentes básicos: dos electrodos, un ánodo (con carga negativa) y un cátodo (con carga positiva) y un electrolito intermedio (o comúnmente conocido como fluido de batería). Lo que sucede es una reacción química que cierra el circuito de la batería (es decir, enciende el interruptor de la luz), los electrones fluyen desde el ánodo, fluyen a través del electrolito hacia el cátodo y fluyen a través de la bombilla para hacer su trabajo. El flujo de iones está en la dirección opuesta. El resultado final es un estado neutral y la batería se descarta o se recarga.

La mayoría de las baterías de automóvil son ahora recargables y usan alguna forma de litio como electrodo, cobalto o carbono como el otro electrodo y alúmina como electrolito. Pero los investigadores están ansiosos por la próxima gran novedad: explorar el progreso de "gatear a correr" en la tecnología de baterías. Algunos avances importantes han mostrado esperanzas de éxito, con densidades de energía entre tres y cinco veces superiores a las de los iones de litio, que, según los estándares teóricos del platino, alimentan incluso más que la gasolina.

El concepto más atrevido es el litio-aire. Deshágase del metal tradicional como el cátodo, reemplácelo con carbono, reforma completamente la batería y extraiga los átomos de oxígeno en el aire para reemplazar el óxido en el electrolito. Un equipo del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) propuso un cátodo compuesto de nanocables. Esta es una estructura muy pequeña construida con un solo átomo, en realidad hecha de una variante genética del virus. Este es un material muy complicado, y el diseño del laboratorio demuestra ser dos veces más potente que una batería de iones de litio típica y se recarga más rápido.

A medida que avanza la química de la batería, nuevos materiales como este se convertirán en clave. El grafeno, un carbono de capa única ultrafino (solo tan grueso como el atómico), fue fabricado originalmente por dos científicos rusos en la Universidad de Manchester en 2003 (y ganó el Premio Nobel de Física 2010 por este propósito) y desarrollado como electrodo material. Su resistencia, flexibilidad y conductividad son sorprendentes, y se puede fabricar a gran escala y a bajo costo, solicitándolo en línea a $ 5 el gramo. En la batería, puede reducir drásticamente el tiempo de carga y aumentar la capacidad de almacenamiento de energía. Tanto los sistemas XG Science como SciNode de la Universidad Northwestern y el Laboratorio Nacional Argonne, con sede en Michigan, EE. UU., Están trabajando con baterías de grafeno. Según SciNode, su ánodo proporciona tres veces más capacidad de almacenamiento que el carbón convencional. Según la Agencia de Noticias China Xinhua, la empresa también puede tener un proyecto de grafeno.

El grafeno es una red en forma de panal de relación atómica hecha de átomos de carbono.

Otra variante prometedora es el diseño de litio-azufre, que reemplaza el cobalto de alto precio con azufre barato y proporciona una densidad de energía extremadamente alta. Los científicos de Berkeley National Laboratories han propuesto un diseño que duplica la densidad de energía de las baterías de iones de litio, con costos potenciales tan bajos como $ 100 por kWh. Se necesita más investigación, pero este método es muy tentador y se dice que derrota a la gasolina.

Además, el diseño de fosfato de hierro no requiere litio en absoluto. En China, el fabricante de automóviles BYD ha puesto en el mercado el E6, un taxi que funciona con baterías de fosfato de hierro, que recorre un kilometraje de 185 millas. Se basa en una batería que BYD llama Fe (símbolo del elemento de hierro). BYD "Qin" es un automóvil híbrido con una potencia máxima de 223 kW y un bitt tipo S ligeramente más bajo. Según la prueba de la compañía, después de 10,000 ciclos de carga y descarga, la batería de Fe aún mantiene el 70% de su capacidad. Son 27 años de recarga diaria.

Taxi eléctrico producido por Shenzhen BYD Auto Company

Apégate a eso, "hasta el amanecer"

Al mismo tiempo, es posible que nos estemos acercando a la edad de oro del "almacenamiento fijo de energía". No es necesario mover las baterías sin requisitos de peso, lo que significa que los desarrolladores pueden usar materiales más pesados, menos exclusivos y más baratos. Estas baterías proporcionan energía de respaldo para hacer que la red sea más confiable y evitar picos de costos de energía pico, recolectando turbinas eólicas renovables y energía de paneles solares fuera de los picos, y por lo tanto a un precio bajo.

Esta tendencia de diseño refleja el trabajo realizado en el automóvil, pero existen importantes excepciones. Aquion Energy, con sede en Pittsburgh, se especializa en microrredes, soluciones de energía parcialmente completas, que incluyen energía solar, eólica u otras fuentes de energía renovable en áreas remotas. El costo de la batería avanzada es aproximadamente el mismo que el de una batería de plomo-ácido anticuada, pero su duración se ha duplicado.

En el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), Donald Sadoway y su equipo desarrollaron baterías de estado sólido que duraron mucho tiempo. Según ellos, es fácil de ampliar. El material es ordinario y económico, pero el diseño es completamente innovador: permanece completamente líquido, acelera el intercambio de electrones e iones, y la batería en sí se mantiene a altas temperaturas, confiando en un aislamiento estricto para mantener 350 ° F o más, pero aún produce energía al 75% de eficiencia. , más del doble del motor de combustión interna. AMBRI (anteriormente Liquid Metal Battery Company), con sede en Cambridge, está fabricando la batería, que se dice que dura décadas y casi no tiene degradación en el rendimiento. Incluso con la descarga completa, se espera que la capacidad de 10,000 ciclos siga siendo del 98%. Este es un gran éxito. El próximo año, el prototipo se enviará a cuatro estados para realizar pruebas de campo.

En este momento, la competencia es competir con las compañías eléctricas locales, y no existe una batería avanzada en este lugar. Si solo hace "picos" y agrega energía adicional a la red durante la demanda máxima, la tarifa puede duplicarse o incluso triplicarse (generalmente por la tarde) y el lugar pagará en persona.

Por supuesto, aún queda un largo camino por recorrer. Como dijo el pionero de las baterías Whitingham, "solo conocemos un poco de pelo". A medida que el mundo hace todo lo posible por deshacerse de su dependencia de los combustibles fósiles, es probable que las baterías desempeñen un papel cada vez más importante en nuestra vida diaria y puedan ayudar a salvar el planeta.

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