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Baterías de iones de litio de mayor capacidad de 3M
A finales del próximo año, los ingenieros de 3M , con sede en St. Paul, MN, esperan tener listos para los fabricantes de baterías nuevos materiales y métodos de fabricación que agregarán un 30 por ciento más de capacidad a las baterías de iones de litio. Estos nuevos métodos también abordarán los problemas de seguridad relacionados con el uso de tales baterías en computadoras portátiles.
Las recientes retiradas del mercado de baterías de iones de litio para portátiles de Sony, debido al temor de que las baterías se incendien, incluyeron las que se utilizan en algunas computadoras Dell y Apple y podrían extenderse hasta 9,6 millones de baterías de portátiles. Por lo tanto, no sorprende que, si bien Sony dice que se han realizado cambios en las fábricas que deberían solucionar el problema, muchos fabricantes luchan por encontrar tecnología más segura. Pero las alternativas a las baterías de iones de litio convencionales tienden a presentar compensaciones, como mayores costos o disminución de la capacidad de almacenamiento de energía (consulte Baterías más seguras y de mayor capacidad y Cómo las baterías del futuro serán más duraderas y seguras).
El avance de 3M incluye nuevos electrolitos y materiales para electrodos. Aunque ambos materiales costarán más que las baterías de iones de litio convencionales, la capacidad de energía adicional de los materiales de los electrodos debería compensar el gasto al reducir la medida clave para el precio de la batería, el costo por vatio hora, dice el especialista en investigación de 3M Mark Obrovac.
La compañía está abordando la seguridad de las baterías mejorando los electrolitos, el líquido dentro de las baterías de iones de litio que conduce los iones de litio pero bloquea los electrones, lo que los obliga a viajar a través de un circuito externo para alimentar un dispositivo. En determinadas condiciones, como cuando una batería está sobrecargada, sobrecalentada o tiene un cortocircuito interno causado por daños o problemas de fabricación, el electrolito puede reaccionar químicamente con los materiales de los electrodos de la batería. En algunos casos, la batería podría explotar, rociando electrolito en el aire circundante donde puede encenderse como un lanzallamas, dice Obrovac.
La empresa ha desarrollado aditivos para electrolitos existentes, así como nuevos electrolitos que no reaccionarán con los electrodos. De hecho, cuando se somete a una llama abierta, los electrolitos más seguros no se incendian. Como beneficio adicional, dice el gerente técnico de investigación de baterías de 3M, Doug Magnuson, las nuevas químicas funcionan mejor a temperaturas extremadamente frías, como menos 40 grados Celsius, en las que otros electrolitos bloquean el flujo de iones y reducen efectivamente la capacidad de la batería en un 80 a 90 por ciento. . Esta pérdida de capacidad es ahora un impedimento clave para el uso de baterías de iones de litio en vehículos híbridos, que podrían estar expuestos a estas condiciones. Los nuevos electrolitos permitirían que los iones fluyan más libremente a estas temperaturas, limitando potencialmente las pérdidas a aproximadamente el 40 por ciento de la capacidad, estima Obrovac.
Los ingenieros de 3M también dicen que los nuevos materiales de los electrodos mejorarán la capacidad de energía de la batería en un 30 por ciento. Por ejemplo, la compañía está reemplazando los materiales de ánodo actuales, basados en grafito, con un ánodo a base de silicio que debería duplicar la cantidad de iones de litio que el ánodo puede almacenar. La capacidad de las baterías de iones de litio está limitada por la cantidad de litio que se puede almacenar en los electrodos. Los ánodos de grafito pueden requerir seis átomos de carbono para almacenar solo un ión de litio. Los electrodos que contienen metales y metaloides como el estaño o el silicio pueden contener muchos más iones de litio (casi cuatro iones por cada átomo de silicio, por ejemplo) formando aleaciones.
Pero estos electrodos no han sido prácticos porque el material puede hincharse hasta tres veces su tamaño original al incorporar iones de litio. Cambios tan dramáticos en el tamaño causan estragos en una celda, acortando su vida útil.
El enfoque de 3M reduce la cantidad de expansión del ánodo mediante el uso de silicio amorfo, en lugar de silicio cristalino, y combinándolo con materiales inertes, lo que ayuda a estabilizar el sistema. Los ingenieros de 3M también han desarrollado mejores métodos para depositar los materiales en las películas que luego se enrollan para formar una batería cilíndrica. Ahora están optimizando estos métodos para la fabricación a gran escala.
Los nuevos materiales reducen, pero no eliminan, la expansión y contracción a medida que los iones entran y salen del ánodo. Como resultado, los investigadores están desarrollando nuevos diseños de baterías que pueden absorber los cambios de tamaño. Obrovac dice que estos diseños, junto con los nuevos electrodos y materiales de electrolitos, deberían estar listos para que los fabricantes de baterías comiencen a incorporarlos a sus productos en algún momento del próximo año.
Ted Miller, supervisor de tecnología avanzada de baterías en Ford Motor , en Dearborn, MI, dice que alejarse del grafito a este tipo de ánodos es, además de ofrecer ganancias de capacidad, esencial para hacer frente a condiciones extremadamente frías a las que podrían estar expuestos en aplicaciones de vehículos. En estas condiciones, cargar una batería puede hacer que el metal de litio se acumule, lo que a veces daña la batería durante varios meses en el transcurso de unos minutos. Alejarse del grafito evitará las reacciones que conducen a la acumulación de litio-metal, dice Miller.
Hasta ahora, solo se está utilizando comercialmente un ánodo a base de aleación: una batería de Sony llamada Nexelium, que utiliza un ánodo a base de estaño. Pero esta tecnología comenzará a aparecer con más frecuencia, según el científico de materiales del MIT Yet-Ming Chiang . Es una dirección muy lógica para las empresas de baterías, dice.