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Las pruebas rápidas producen materiales de batería de alta energía
Utilizando un enfoque automatizado novedoso para construir y probar rápidamente miles de celdas de batería, Wildcat Discovery Technologies, una startup en San Diego, California, ha desarrollado nuevos materiales que podrían aumentar la capacidad de almacenamiento de baterías de iones de litio para automóviles y dispositivos electrónicos portátiles en más de 25 por ciento.
Batería fabulosa: Este gabinete alberga equipos automatizados para construir y probar cientos de baterías a la semana. Cada batería está hecha de diferentes materiales experimentales.
Las baterías basadas en los nuevos materiales podrían extender la autonomía de los vehículos eléctricos o permitir que los fabricantes de automóviles mantengan la misma autonomía pero utilicen menos celdas de batería, reduciendo así el costo del paquete de baterías, la parte más cara de un automóvil eléctrico. Aún queda trabajo por hacer para mejorar la durabilidad de los nuevos materiales, pero los resultados proporcionan validación para la técnica de cribado de alto rendimiento de Wildcat que permite a los investigadores clasificar rápidamente combinaciones de materiales.
El cribado de alto rendimiento es común en las industrias farmacéutica y química para descubrir nuevos compuestos y catalizadores, y la técnica ha hecho avances en el desarrollo de baterías. Lo que hace que el proceso de Wildcat sea diferente es que produce celdas de batería completas, no solo partes individuales de las celdas, como los electrodos. Esto es importante porque el rendimiento de cualquier material dado en la celda depende de cómo interactúa con las otras partes. Con los enfoques convencionales, obtienes muchos falsos positivos y falsos negativos, dice Steven Kaye , Director científico de Wildcat. Un material de electrodo que parece prometedor por sí solo puede fallar en una celda completa ya que interactúa con electrolitos, aditivos y el electrodo opuesto, dice. Y uno que parece mediocre podría mejorar notablemente cuando se mezcla con otros materiales en una celda.
El nuevo material de Wildcat, una variante del fosfato de cobalto y litio, es uno que normalmente se habría rechazado porque funciona a un voltaje que destruye rápidamente el electrolito de la batería, el líquido que conduce los iones de litio entre los electrodos. Pero los investigadores emparejaron el material con muchas recetas nuevas de electrolitos y finalmente descubrieron una que podría sobrevivir al alto voltaje. En total, la empresa examinó 4.000 materiales durante un período de aproximadamente cuatro meses para encontrar los que funcionaban.
El proceso comienza con la mezcla automática de materiales precursores líquidos, seguido de la producción de polvos de electrodos con diferentes propiedades, la formación de películas de electrodos y la combinación de electrodos, separadores y electrolitos en una celda tipo moneda del tipo que se encuentra en los relojes. baterías. Estas células se prueban y se mejoran las mejores.
La capacidad de clasificar miles de combinaciones de materiales e incorporarlas en celdas de batería completas es bastante impresionante, dice Jeff Dahn , profesor de física en la Universidad de Dalhousie que utiliza métodos de alto rendimiento para estudiar los materiales de las baterías. Han recorrido un largo camino en poco tiempo, dice.
Wildcat se fundó en 2006 y ha recaudado $ 16,5 millones en fondos de riesgo. También obtiene ingresos de más de 40 proyectos de investigación con los principales fabricantes. Entre sus fundadores se encuentran Peter Schultz, profesor del Scripps Research Institute y pionero de la química combinatoria de alto rendimiento.
Las celdas de batería que utilizan los nuevos materiales de Wildcat almacenarían aproximadamente un 60 por ciento más de energía por volumen que fosfato de hierro y litio células, un tipo utilizado por los fabricantes de vehículos eléctricos. En comparación con algunas baterías de mayor energía que podrían estar en los vehículos eléctricos de próxima generación, como los que usan una mezcla de níquel, manganeso y cobalto, los nuevos materiales podrían producir un aumento de energía de más del 25 por ciento en volumen, dice Kaye. .
No está claro cómo afectarán los materiales al costo total de la batería. La mejora en la capacidad reducirá los costos, y el mayor voltaje de las celdas simplificará el cableado en los paquetes de baterías, lo que también reducirá los costos, pero el uso de cobalto los hará más costosos que el fosfato de hierro y litio. Para reducir costos, la empresa está trabajando en materiales para electrodos que sustituyan el cobalto por níquel.
Las nuevas formulaciones de electrolitos que ha desarrollado la compañía podrían abrir la posibilidad de usar otros materiales de electrodos de voltaje relativamente alto, incluida una clase de materiales llamados fluorofosfatos que, cuando se combinan con electrodos opuestos de alto rendimiento, podrían duplicar la capacidad de la batería, Kaye dice.
Actualmente, la compañía está produciendo lotes de prueba de sus nuevos materiales y espera licenciar la tecnología a compañías de materiales y baterías, pero la durabilidad de los materiales aún debe mejorarse. Después de 150 ciclos de carga, la capacidad del material del electrodo ha disminuido en un 20 por ciento. Para su uso en dispositivos electrónicos portátiles, la batería debe durar unos cientos de ciclos. Para los autos eléctricos, la batería debe retener el 80 por ciento de su capacidad de almacenamiento durante miles de ciclos.