Hay más teléfonos móviles en el mundo que personas. Casi todas están alimentadas por baterías recargables de iones de litio , que son el componente más importante que permite la revolución de los dispositivos electrónicos portátiles de las últimas décadas. Ninguno de esos dispositivos sería atractivo para los usuarios si no tuvieran suficiente energía para durar al menos varias horas, sin ser particularmente pesados.
Las baterías de iones de litio también son útiles en aplicaciones más grandes, como los vehículos eléctricos y los sistemas de almacenamiento de energía de redes inteligentes . Y las innovaciones de los investigadores en la ciencia de los materiales , que buscan mejorar las baterías de iones de litio, están allanando el camino para más baterías con un rendimiento aún mejor. Ya se está formando una demanda de baterías de alta capacidad que no se incendiarán ni explotarán . Y muchas personas han soñado con baterías más pequeñas y livianas que se cargan en minutos, o incluso en segundos, pero que almacenan suficiente energía para alimentar un dispositivo por días .
Los investigadores como yo , sin embargo, están pensando aún maneras mas aventureras. Los automóviles y los sistemas de almacenamiento en la red serían aún mejores si pudieran descargarse y recargarse decenas de miles de veces durante muchos años, o incluso décadas. A los equipos de mantenimiento y los clientes les encantarían las baterías que podrían controlarse a sí mismas y enviar alertas si estuvieran dañadas o dejaran de funcionar al máximo rendimiento, o incluso pudieran repararse por sí mismas. Y no puede ser demasiado soñar con baterías de doble propósito integradas en la estructura de un artículo, ayudando a dar forma a la estetica de un teléfono inteligente, un automóvil o un edificio al mismo tiempo que alimenta sus funciones.
Todo esto puede ser posible a medida que las investigaciones de los científicos e ingenieros sea cada vez más enfocada en controlar y manejar la materia a escala de átomos individuales.
Materiales emergentes
En su mayor parte, los avances en el almacenamiento de energía se basarán en el desarrollo continuo de la ciencia de los materiales, ampliando los límites de rendimiento de los materiales de baterías existentes y desarrollando estructuras y composiciones de baterías completamente nuevas.
La industria de las baterías ya está trabajando para reducir el costo de las baterías de iones de litio, incluso eliminando el costoso cobalto de sus electrodos positivos, llamados cátodos. Esto también reduciría el costo humano de estas baterías , ya que muchas minas en el Congo, la principal fuente mundial de cobalto, utilizan a los niños para realizar trabajos manuales difíciles .
Los investigadores están encontrando maneras de reemplazar los materiales que contienen cobalto con cátodos hechos principalmente de níquel. Eventualmente, podrán reemplazar el níquel por manganeso .Cada uno de esos metales es más barato, más abundante y más seguro para trabajar que su predecesor.Pero vienen con una compensación, porque tienen propiedades químicas que acortan la vida útil de sus baterías .
Los investigadores también están buscando reemplazar los iones de litio que viajan entre los dos electrodos con iones y electrolitos que pueden ser más baratos y potencialmente más seguros, como los basados en sodio, magnesio, zinc o aluminio.
Mi grupo de investigación analiza las posibilidades de usar materiales bidimensionales, esencialmente láminas extremadamente finas de sustancias con propiedades electrónicas útiles. El grafeno es quizás el más conocido de todos: una lámina de carbono de solo un átomo de espesor. Queremos ver si apilar capas de varios materiales bidimensionales y luego infiltrarse en la pila con agua u otros líquidos conductores puede ser un componente clave de las baterías que se recargan muy rápidamente.
Mirando dentro de la batería
No solo se trata de nuevos materiales que expanden el mundo de la innovación de las baterías: los nuevos equipos y métodos también permiten a los investigadores ver lo que sucede dentro de las baterías con mayor facilidad de lo que antes era posible.
En el pasado, los investigadores pasaron una batería por un proceso particular de carga-descarga o por un número de ciclos, y luego extrajeron el material de la batería y lo examinaron después del hecho. Solo así los eruditos podrían aprender qué cambios químicos habían ocurrido durante el proceso e inferir cómo funcionaba realmente la batería y qué afectaba a su rendimiento.
Los rayos X generados por un sincrotrón pueden iluminar el funcionamiento interno de una batería. Oficina de Investigación CLS / flickr , CC BY-SA
Pero ahora, los investigadores pueden observar los materiales de las baterías a medida que pasan por el proceso de almacenamiento de energía, analizando incluso su estructura atómica y su composición en tiempo real. Podemos usar sofisticadas técnicas de espectroscopía, como las técnicas de rayos X disponibles con un tipo de acelerador de partículas llamado sincrotrón , así como microscopios electrónicos y sondas de barrido, para observar cómo los iones se mueven y las estructuras físicas cambian a medida que la energía se almacena y se libera de los materiales. en una batería.
Esos métodos permiten a los investigadores como yo imaginar nuevas estructuras de baterías y materiales, hacerlos y ver qué tan bien (o no) funcionan. De esa manera, podremos mantener la revolución de los materiales de la batería en marcha.
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