Una puesta en marcha electrizante

Es la motocicleta eléctrica más rápida del mundo. En un video popular de YouTube, el ciclo del dragster negro casi desaparece en una nube de humo cuando el conductor se quema y hace girar la rueda trasera para calentarla. A medida que el humo se aleja, el conductor se coloca en su posición y presiona un interruptor, y la bicicleta avanza acelerando a 60 millas por hora en menos de un segundo. Siete segundos después, cruza la marca del cuarto de milla a 168 millas por hora, lo suficientemente rápido como para competir con los dragsters de gasolina.

Impacto lateral: Una batería diseñada por A123 Systems para el vehículo eléctrico Volt de GM puede sobrevivir a una prueba de seguridad aplastante. El impacto de alta velocidad podría haber provocado que otras baterías de iones de litio se sobrecalienten y se incendien.

Lo que impulsa a Killacycle es una nueva batería de iones de litio desarrollada por A123 Systems, una startup en Watertown, MA, una de las pocas empresas que trabajan en tecnología similar. Las baterías de la compañía almacenan más del doble de energía que las baterías de hidruro metálico de níquel, el tipo que se usa en los autos híbridos de hoy, mientras entregan las ráfagas de energía necesarias para un alto rendimiento. Una versión radicalmente modificada de las baterías de iones de litio utilizadas en la electrónica portátil, la tecnología podría impulsar el mercado de vehículos eléctricos, que hoy en día representa una pequeña fracción del 1 por ciento de las ventas de vehículos en los Estados Unidos. Las baterías del A123 en particular han atraído el interés de General Motors, que las está probando como una forma de alimentar el Volt, un automóvil eléctrico con un generador de gasolina; Se espera que el vehículo entre en producción en masa a partir de 2010.

En el pasado, los fabricantes de automóviles culparon de las bajas ventas de los vehículos eléctricos a sus baterías de plomo-ácido o níquel-hidruro metálico, que eran tan pesadas que limitaban el alcance de los vehículos y eran tan voluminosas que ocupaban espacio en el maletero. Si bien las baterías de iones de litio convencionales son mucho más livianas y compactas, no son rentables para los vehículos eléctricos. Eso se debe en parte a que utilizan electrodos de óxido de cobalto y litio, que pueden ser inestables: las baterías basadas en ellos se gastan después de un par de años y pueden estallar en llamas si se perforan, aplastan, sobrecargan o sobrecalientan. Algunos fabricantes de automóviles han intentado solucionar estos problemas mediante ingeniería, pero los resultados han sido costosos.

Las baterías de A123 finalmente podrían hacer que la tecnología de iones de litio sea práctica para la industria automotriz. En lugar de óxido de cobalto, utilizan un material de electrodo hecho de nanopartículas de fosfato de hierro y litio modificado con trazas de metales. Es poco probable que las baterías resultantes se incendien, incluso si se aplastan en un accidente. También son mucho más resistentes que las baterías de iones de litio convencionales: A123 predice que durarán más que la vida útil típica de un automóvil.

Cuaderno del reportero : Kevin Bullis

La promesa de la batería ha convertido a A123 en una de las nuevas empresas tecnológicas mejor financiadas del país, con 148 millones de dólares en inversiones de capital de riesgo hasta el momento. Con la financiación, A123 ha estado siguiendo un ambicioso plan de negocios que exige hacer de todo, desde perfeccionar el material hasta fabricar baterías y venderlas a clientes de las industrias automotriz y de herramientas eléctricas.

Las baterías A123 para el Volt de GM almacenan suficiente energía para conducir 40 millas, suficiente para cubrir los desplazamientos diarios. (En viajes más largos, el pequeño motor de gasolina se activa para recargar la batería, extendiendo el alcance a más de 400 millas). GM planea vender los vehículos por alrededor de $ 30,000 a $ 35,000; la empresa cree que puede vender cientos de miles a ese precio en los primeros años, y J. D. Power and Associates estima que GM venderá casi 300.000 para 2014.

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Los materiales importan
A principios de 2001, un empresario venezolano de 26 años llamado Ric Fulop entró en la oficina de Yet-Ming Chiang, profesor de ciencia de materiales en el MIT, sin una cita. Simplemente apareció y llamó a la puerta, recuerda Chiang. Fulop, que ya había fundado tres empresas respaldadas por empresas de riesgo, quería ayuda para iniciar una empresa de baterías y sabía que Chiang estaba llevando a cabo investigaciones sobre baterías relacionadas con la nanotecnología. El propio Chiang había cofundado una empresa emergente exitosa a fines de la década de 1980, pero pasó la mayor parte de su tiempo investigando la nanotecnología y la química de la cerámica avanzada.

Para el otoño, Fulop y Chiang, junto con Bart Riley, un ingeniero que Chiang conocía de su empresa anterior, habían cofundado A123 Systems. El plan era comercializar una de las ideas más radicales de Chiang: materiales que, cuando se mezclaban, se ensamblaban espontáneamente para formar una batería funcional. El proceso prometía multiplicar la capacidad de almacenamiento de energía y reducir los costos de fabricación.

La gran idea de Chiang resultó ser un éxito entre los inversores. A finales de 2001, una primera ronda de financiación había aportado 8,3 millones de dólares de varias empresas de capital de riesgo. Motorola y Qualcomm, intrigados por la perspectiva de mejores baterías para dispositivos electrónicos portátiles, pronto agregaron $ 4 millones. Pero rápidamente quedó claro que una batería comercial de autoensamblaje estaba a años de la realidad. La tecnología todavía era bastante rudimentaria, dice Chiang.

Sin embargo, a principios de 2002, Chiang hizo un descubrimiento sorprendente que cambiaría por completo la dirección de la empresa. Había comenzado a trabajar con fosfato de hierro y litio, que no es tóxico, es seguro y económico, a diferencia de los materiales utilizados en otras baterías de iones de litio. Pero parecía tener algunos inconvenientes graves. Almacena menos energía que el óxido de cobalto y litio, el material del electrodo en las baterías de iones de litio convencionales, por lo que parecía inadecuado para su uso en dispositivos electrónicos portátiles, donde el almacenamiento de energía es primordial. Además, se carga y descarga lentamente, descartando su uso en aplicaciones de alta potencia como los vehículos eléctricos híbridos; Incluso para los coches totalmente eléctricos, que utilizan muchas más celdas de batería que los híbridos, el material no puede proporcionar suficiente energía.

Entonces Chiang comenzó a modificarlo agregando trazas de metales. Pronto, el material estaba descargando energía a velocidades relativamente altas. A mediados de 2002, voló a Monterey, CA, para presentar sus hallazgos en una conferencia. Mientras estuvo allí, un estudiante de posgrado en el MIT continuó realizando pruebas. Para el momento en que Chiang estaba programado para hablar, el material se estaba reproduciendo a un ritmo cuatro veces superior al que había venido a anunciar. En ese momento, sabíamos que teníamos algo especial, dice.

Con el tiempo, Chiang demostraría que el material podría generar ráfagas de electricidad diez veces superiores a las que se utilizan en las baterías de iones de litio convencionales. Después de estudiar en detalle el material de alto rendimiento, determinó que su poder se debía tanto al tamaño de las partículas que había usado (menos de 100 nanómetros) como a la adición de los metales adicionales. La combinación de esos factores, dice, causa una diferencia fundamental en la forma en que los átomos que componen el material se reorganizan cuando reciben y liberan una carga.

Empacado: Las celdas de la batería del A123 (arriba) se han integrado en un paquete en forma de T diseñado por la empresa alemana Continental.

En todas las baterías de iones de litio, la electricidad se genera cuando los iones de litio se transportan entre dos electrodos mientras los electrones viajan a través de un circuito externo. En los primeros experimentos de Chiang con fosfato de hierro y litio, las partes del material que contenían litio se separaban de las que no lo contenían a medida que los iones de litio entraban y salían de un electrodo. Eso cambió la estructura cristalina del material y su rendimiento se deterioró. Pero, según descubrió Chiang, cuando las partículas de fosfato de hierro y litio son lo suficientemente pequeñas, y el electrodo ha sido modificado o dopado mediante la adición de otros metales, la estructura cristalina del material cambia mucho menos. Como resultado, los iones de litio pueden entrar y salir más rápido, sin degradar el material. En total, Chiang descubrió que el material modificado se cargaba y descargaba más rápido que el fosfato de hierro y litio ordinario, y también duraba más.

Por extraordinario que pareciera el nuevo material de la batería, Chiang se dio cuenta de inmediato de que no era ideal para dispositivos electrónicos portátiles. No parecía haber un mercado listo para baterías compactas y livianas que entregaran grandes ráfagas de energía. Los vehículos híbridos, un ajuste natural, apenas comenzaban a aparecer en el mercado. Lo que Chiang no sabía era que una importante empresa de herramientas eléctricas estaba trabajando silenciosamente en una nueva generación de herramientas inalámbricas y tenía problemas para encontrar una batería que satisfaga sus necesidades.

Poderoso comienzo
En 2003, representantes de Black and Decker se reunieron con Fulop y el director ejecutivo de A123, Dave Vieau, y les dijeron que querían fabricar herramientas eléctricas inalámbricas que funcionen mejor que las herramientas conectadas a la pared. El material de A123 parecía encajar perfectamente. En ráfagas cortas, puede entregar más energía que un circuito doméstico. Y tenía otras características que serían atractivas en un sitio de construcción. Se podía recargar rápidamente (al 80 por ciento de su capacidad en 12 minutos o menos) y, a diferencia de las baterías fabricadas con óxido de cobalto y litio, podía sobrevivir a un tratamiento severo sin incendiarse.

Esa, al menos, era la teoría. Cuando Fulop y Vieau se reunieron por primera vez con Black and Decker, solo tenían un modelo de una celda de batería, medio gramo de material y una presentación de PowerPoint. Lo que Black and Decker necesitaba era una empresa que pudiera producir millones de baterías. Se puso mucho énfasis en el material, pero lo que tuvimos que aprender a hacer es diseñar la celda completa, dice Chiang.

Sin embargo, al año de la firma de su acuerdo inicial con Black and Decker, A123 había producido una batería comercialmente viable. En noviembre de 2005, sus primeros productos salían de líneas de montaje en Asia. En menos de tres años, la empresa pasó de construir una batería de demostración del tamaño de una moneda a construir máquinas de recubrimiento de 50 metros de largo y fábricas de 28.000 metros cuadrados dirigidas por cientos de empleados. En 2006, los clientes estaban comprando sus baterías en una nueva línea de herramientas profesionales vendidas por Black and Decker. En poco tiempo, A123 fabricaba baterías a razón de millones al año.

Construido en Alemania: El paquete en forma de T (arriba) contiene las celdas de la batería del A123. GM está probando el paquete en condiciones de conducción simuladas antes de atornillarlo en un prototipo de vehículo eléctrico.

Carga de coches
Mientras tanto, GM estaba reconsiderando su estrategia tecnológica a medida que Toyota comenzaba a dominar el negocio de los vehículos híbridos. Un híbrido usa una batería solo una parte del tiempo, y depende de un motor de gasolina para gran parte de su potencia. GM decidió desarrollar un automóvil que permitiera a sus clientes dejar de usar gasolina por completo durante la mayor parte de la conducción diaria. Pero para lograrlo, el fabricante de automóviles necesitaba una batería confiable y de alto rendimiento. Y para eso se dirigió a A123.

GM sabía que quería usar baterías de iones de litio debido a su capacidad de almacenamiento, dice Denise Gray, directora de sistemas de almacenamiento de energía de GM. Pero también sabía que la tecnología existente no funcionaría. Aunque la batería de una computadora portátil de iones de litio puede sobrevivir 500 ciclos completos de carga y descarga antes de que su capacidad se reduzca, ningún propietario de automóvil quiere comprar una batería nueva cada 18 meses. Sin embargo, según las proyecciones de A123, sus baterías deberían poder ofrecer más de 15 años de cargas diarias. Y además de ser más seguras que otras baterías de iones de litio, las A123 funcionan a una temperatura más baja, lo que hace que sea más sencillo empaquetar cientos de ellas juntas en un paquete de baterías grande, dice Gray.

Donde las baterías de las herramientas eléctricas del A123 son cilíndricas, la batería que desarrolló para el Volt es descargada, para ahorrar espacio y disipar el calor de manera más eficiente. Las celdas se han ensamblado en paquetes de baterías completos, que tienen forma de T y casi dos metros de largo. Esta primavera, las baterías se atornillarán en prototipos de vehículos para pruebas en carretera. Y más adelante este año, A123 planea aumentar la producción de las baterías para satisfacer la demanda anticipada. Los primeros automóviles impulsados ​​por la tecnología A123 podrían estar saliendo de las líneas de montaje en 2010. (GM también está probando baterías de otra empresa y puede usar baterías de una o ambas empresas).

Si el Volt es popular, los autos eléctricos finalmente podrían comenzar a despegar, y eso podría reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y el consumo de petróleo. Un estudio reciente del Instituto de Investigación de Energía Eléctrica y el Consejo de Defensa de los Recursos Naturales sugiere que los vehículos eléctricos similares al automóvil de GM podrían eliminar miles de millones de toneladas de emisiones de gases de efecto invernadero entre 2010 y 2050. Un estudio de General Electric indica que si la mitad de los vehículos las carreteras en 2030 funcionan con energía eléctrica, el consumo de petróleo en los Estados Unidos se reducirá en seis millones de barriles por día.

Y baterías como las del A123 podrían tener repercusiones mucho más allá del Volt. Incluso los automóviles con motores de combustión interna están siendo diseñados para depender más de la electricidad: los ejemplos más simples involucran baterías recargadas por alternadores mejorados que permitirían a un automóvil apagar el motor cuando se acerca a un semáforo y reiniciar cuando el conductor pisa el acelerador. . En los híbridos convencionales, las versiones de las baterías A123 pueden ofrecer tanta potencia como las baterías de hidruro metálico de níquel con una quinta parte del peso. Las nuevas baterías también podrían beneficiar a los híbridos enchufables, que se pueden recargar desde una toma de corriente estándar. De hecho, las baterías del A123 pueden usarse en una versión enchufable del SUV híbrido Saturn Vue que saldrá a la venta en 2010.

Cualquiera que sea su diseño, es probable que los automóviles del futuro dependan mucho más de la electricidad. Aún no hemos llegado a ese punto, dice Chiang. No hay voltios por todos lados. Pero el potencial de tener un gran impacto, tanto en el tema del suministro de petróleo como en los gases de efecto invernadero, no imaginé que seríamos capaces de hacer eso. Ciertamente no cuando comencé a trabajar con baterías.

Kevin Bullis es NIÑOS Editor de ciencia de materiales y nanotecnología.

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