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Una batería de coche a mitad de precio
El año pasado, la puesta en marcha de baterías A123 Systems creó otra compañía, llamada 24M, para desarrollar un nuevo tipo de batería destinada a hacer que los vehículos eléctricos vayan más lejos y cuesten menos. Ahora, un artículo de investigación publicado en Materiales energéticos avanzados revela los primeros detalles sobre cómo funcionaría esa batería. También aborda los desafíos de llevar la batería al mercado.
Prototipo de batería: Se alimentan dos materiales de electrodos similares a lodos al dispositivo que se muestra aquí. El material del ánodo fluye hacia la mitad superior y el cátodo fluye hacia la parte inferior. Los iones de litio pasan de un material a otro y los electrones fluyen a través de los cables negro y rojo.
Un gran problema con las baterías de iones de litio que se utilizan en los vehículos eléctricos y los híbridos enchufables es que solo alrededor del 25 por ciento del volumen de la batería es absorbido por materiales que almacenan energía. El resto está compuesto por materiales inactivos, como empaques, láminas conductoras y pegamentos, que hacen que las baterías sean voluminosas y representan una parte importante del costo.
24M tiene la intención de reducir en gran medida el material inactivo en una batería. Según las estimaciones del nuevo documento, sus baterías podrían alcanzar casi el doble de densidades de energía que los paquetes de baterías de vehículos actuales. Las baterías con una mayor densidad de energía serían más pequeñas y más baratas, lo que significa que los coches eléctricos e híbridos serían menos costosos. El documento estima que las baterías podrían costar tan poco como $ 250 por kilovatio hora, menos de la mitad de lo que cuestan ahora.
Una batería convencional se compone de cientos de celdas. Cada celda contiene una pila de muchos electrodos sólidos delgados. Estos electrodos están emparejados con colectores de corriente de lámina metálica y están separados entre sí por películas de plástico. Aumentar el almacenamiento de energía requiere agregar más capas de material de electrodo, lo que a su vez requiere más capas de lámina de metal y película de plástico.
El diseño de 24M permite aumentar el almacenamiento de energía sin la lámina de metal ni la película de plástico adicionales. La diferencia clave es que los electrodos no son películas sólidas apiladas en una celda, sino materiales similares a lodos almacenados en tanques, uno para el material del electrodo positivo y otro para el electrodo negativo.
Los materiales se bombean desde los tanques a un pequeño dispositivo, donde se mueven a través de canales tallados en bloques de metal. Mientras esto sucede, los iones se mueven de un electrodo a otro a través del mismo tipo de material separador que se usa en una batería convencional. Los electrones salen del material hacia un circuito externo. En este diseño, aumentar el almacenamiento de energía es tan simple como aumentar el tamaño de los tanques de almacenamiento: el dispositivo que permite que los electrodos interactúen permanece del mismo tamaño. El diseño también elimina la necesidad de conectar cientos de celdas para lograr un almacenamiento de energía adecuado.
La nueva batería es similar a algo llamado batería de flujo, en la que dos electrolitos se bombean uno al lado del otro. Pero las baterías de flujo convencionales son aproximadamente 10 veces más grandes que el nuevo diseño porque usan soluciones de almacenamiento de energía diluidas, lo que las hace poco prácticas para su uso en automóviles.
Los investigadores, dirigidos por Yet-Ming Chiang , profesor de ciencia de los materiales en el MIT y fundador de A123 Systems y 24M, probó varios materiales para los electrodos, incluido el óxido de litio y cobalto, que se usa comúnmente en las baterías de computadoras portátiles. Demostraron que el dispositivo puede cargarse y descargarse a las velocidades necesarias en los vehículos eléctricos, dice Chiang.
El documento también describe cómo los investigadores abordan uno de los mayores desafíos del diseño: sacar la carga eléctrica del lodo. En una celda de iones de litio ordinaria, los electrones se abren paso saltando a través de las partículas conductoras conectadas en el electrodo sólido hasta que alcanzan un colector de corriente. En la batería nueva, los electrones no fluirán a través del electrolito. Entonces, Chiang y sus colegas mezclaron partículas de carbono a nanoescala en el lodo; las partículas forman espontáneamente redes interconectadas en el fluido para proporcionar vías para que los electrones escapen.
Aún quedan desafíos antes de que se pueda comercializar la batería. La conductividad eléctrica sigue siendo unas 100 veces menor de lo que debería ser en un sistema práctico, dice Chiang. También está trabajando para aumentar la concentración de materiales activos en el lodo.
Jeff Dahn , profesor de física y química en la Universidad de Dalhousie, señala que para alcanzar los niveles de potencia necesarios para propulsar un automóvil, la celda electroquímica aún tendría que ser grande: el material del separador tendría que cubrir un área de aproximadamente tres metros por cuatro metros . Podría cortarse en piezas manejables y apilarse, pero esto podría complicar el sistema, e incluso con este enfoque, la celda podría ser voluminosa, dice.
Estamos haciendo un buen progreso en la tecnología, dice el CEO de 24M, Throop Wilder. La aceptación del documento es una fuerte validación de los principios fundamentales que impulsan nuestro desarrollo. 24M consta de unos 20 empleados y ha recaudado aproximadamente $ 16 millones.
Es un dispositivo muy inteligente, dice Dahn. No sé si alguna vez será más que una idea en un periódico, pero Chiang ha sorprendido a la gente antes.