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Una guía de avances recientes en la batería
Los vehículos eléctricos, los híbridos y la energía renovable tienen al menos una cosa en común: si alguna vez se van a utilizar más ampliamente, representando la mayoría de los automóviles en la carretera o una gran parte del suministro de electricidad, las baterías deben mejorar significativamente . Las baterías deberán almacenar más energía, entregarla de manera más rápida y confiable y, en última instancia, costar mucho menos. Las formas específicas en que las baterías deben mejorar varían según la aplicación, pero en todas estas áreas, los investigadores han logrado avances significativos.
La semana pasada, investigadores del MIT dirigidos por Yang-Shao Horn, profesor de ciencia e ingeniería de materiales e ingeniería mecánica, y Paula Hammond, profesora de ingeniería química, anunciaron un nuevo enfoque para las baterías de iones de litio de alta potencia, del tipo que es útil. para vehículos híbridos o para estabilizar la red eléctrica. Las baterías de alta potencia aceptan y entregan carga rápidamente. En los híbridos, el objetivo es complementar el motor de gasolina, permitiéndole funcionar con la máxima eficiencia. La batería impulsa el automóvil a bajas velocidades para distancias cortas y aumenta la aceleración, lo que reduce la demanda del motor. También captura la energía del frenado que de otro modo se perdería en forma de calor. Para la red eléctrica, tales baterías podrían amortiguar los cambios en la oferta y la demanda de electricidad, algo que se vuelve más importante a medida que se introducen fuentes de electricidad más variables, como la energía eólica y solar.
Los investigadores del MIT demostraron un nuevo electrodo de batería, basado en nanotubos de carbono especialmente tratados, que duran miles de ciclos sin ninguna pérdida de rendimiento. Las baterías fabricadas con estos electrodos podrían entregar suficiente energía para propulsar camionetas de reparto grandes o camiones de basura, por ejemplo, sin que las baterías sean demasiado pesadas para ser prácticas. (Los investigadores necesitan aumentar el grosor de los electrodos para que sean prácticos en estas aplicaciones). Empresas como A123 Systems, con sede en Watertown, MA, también han desarrollado baterías de iones de litio de muy alta potencia, y otros grupos académicos y Las nuevas empresas están desarrollando ultracondensadores basados en nanotubos de carbono, que almacenan energía utilizando un mecanismo diferente al de las baterías, que es particularmente útil para alta potencia y larga duración.
Si bien los nuevos electrodos podrían eventualmente ser útiles para híbridos y para estabilizar la red, no son particularmente buenos para otras aplicaciones, como vehículos totalmente eléctricos. Para los vehículos eléctricos, la cantidad total de energía que almacenan las baterías es más importante que la rapidez con la que se puede entregar esa energía, ya que es la cantidad total la que determina qué tan lejos pueden viajar estos autos entre cargas. Los investigadores del MIT que desarrollaron los nuevos electrodos de nanotubos de carbono también están desarrollando un tipo diferente de batería para almacenar grandes cantidades de energía. Llamada batería de litio-aire, donde uno de los dos electrodos de una batería se reemplaza por una interfaz con el aire, la tecnología ha atraído recientemente grandes cantidades de fondos gubernamentales e interés de empresas como IBM. En teoría, estas baterías podrían almacenar tres veces más energía que las baterías de iones de litio convencionales. Pero el diseño tiene una serie de problemas que dificultan su comercialización, entre ellos la vulnerabilidad de sus materiales activos a la humedad (el metal de litio que utiliza puede incendiarse si se moja) y la tendencia de las baterías a dejar de funcionar después de recargarse apenas. unas pocas veces.
Al igual que las baterías de litio-aire, otras tecnologías potenciales de baterías de alta energía enfrentan una serie de obstáculos, lo que podría ayudar a explicar por qué los híbridos con sus baterías de alta potencia en lugar de las de alta energía han tenido más éxito que los vehículos eléctricos. Muchas de las químicas de batería más prometedoras son demasiado difíciles de fabricar a gran escala, se deshacen después de unos pocos ciclos o son demasiado caras. Según el Departamento de Energía de EE. UU., Los paquetes de baterías completos cuestan hoy entre 800 y 1200 dólares el kilovatio hora, y almacenan entre 100 y 120 vatios-hora por kilogramo. Para que los vehículos eléctricos sean prácticos y asequibles, al DOE le gustaría que los costos cayeran a $ 250 por kilovatio hora y aumentara la capacidad de almacenamiento a más de 200 vatios-hora por kilogramo. (Alcanzar estos objetivos requerirá capacidades de almacenamiento aún mayores para las celdas de batería individuales que componen los paquetes de baterías, aproximadamente 400 vatios hora por kilogramo).
Si bien mejorar las baterías para vehículos híbridos y eléctricos es difícil, uno de los mayores desafíos a largo plazo para los investigadores de baterías es fabricar baterías que puedan almacenar de manera económica grandes cantidades de energía generada por paneles solares y turbinas eólicas, de modo que la electricidad de estas fuentes esté disponible cuando el sol no brilla o el viento no sopla. Por ahora, estas baterías no son necesarias, hay suficiente energía de fuentes convencionales para compensar la holgura. Pero si la energía solar y eólica van a proporcionar la mayor parte de la electricidad, será necesario almacenamiento, y las baterías hoy en día son demasiado caras. La meta del DOE para tales baterías es menos de $ 100 por kilovatio-hora, menos de la mitad de su meta para los vehículos eléctricos. Hoy en día es más barato construir una planta de energía de gas natural como fuente de energía de respaldo, o almacenar energía bombeando agua cuesta arriba, donde luego puede fluir cuesta abajo para hacer girar un generador. Un enfoque experimental para baterías de bajo costo es algo llamado batería líquida, que utiliza materiales de batería económicos que se ensamblan por sí mismos.
Incluso si los problemas con las baterías se superan en el laboratorio, estas tecnologías enfrentan obstáculos para su comercialización. Para reducir los costos, los fabricantes de baterías están recurriendo a aplicaciones distintas de los vehículos eléctricos y la red para hacer despegar nuevas tecnologías, aplicaciones como microelectrónica, herramientas eléctricas y autos de carrera. Los híbridos enchufables también pueden ayudar a servir como un puente hacia los vehículos eléctricos. Los complementos utilizan generadores de respaldo que funcionan con gas para ayudar a ampliar su alcance, lo que permite a los fabricantes de automóviles utilizar paquetes de baterías más pequeños y menos costosos que los que necesitarían para los vehículos eléctricos. Fabricantes de automóviles como GM, con su Chevrolet Volt que saldrá este año, están adoptando este enfoque. Los vehículos eléctricos que están a la venta ahora, y que saldrán a la venta en los próximos años, son autos deportivos caros y vehículos de lujo, donde los costos pueden ser altos, o sus costos iniciales se están reduciendo mediante financiamiento creativo, como el arrendamiento de baterías. paquetes u ofrecer planes por milla, algo como los planes por minuto que ofrecen las compañías de telefonía celular.