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Jun 15, 2023

Las mejores y más innovadoras ideas para baterías nuevas.

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Seamos realistas: es difícil imaginar la vida moderna sin baterías. Dependemos de nuestros dispositivos y la mayoría de ellos, incluidos teléfonos, computadoras, relojes, tabletas, juguetes e incluso automóviles, necesitan baterías para funcionar.

Al tener que utilizar tantas pilas constantemente, también sabemos que no suelen durar mucho. Parece que se agotan cuando es menos conveniente y, a menudo, son costosos de reemplazar y difíciles de reciclar.

Mejorar la sostenibilidad de las tecnologías de baterías es de suma importancia para nuestra forma de vida. Sabiendo esto, analizamos algunas de las mejores ideas nuevas para desarrollar las baterías del futuro.

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Una razón particular para innovar ha sido encontrar una manera de dejar atrás las baterías de iones de litio. Especialmente cuando se trata de coches eléctricos y dispositivos que utilizan baterías de iones de litio. Estas baterías, que contienen electrolitos líquidos, son muy comunes.

Pero este tipo de batería tiene serias deficiencias, como su eficiencia comparativamente baja y el potencial de que los electrolitos líquidos exploten y provoquen incendios.

En busca de un enfoque más seguro, sostenible y estable, un equipo internacional de investigadores descubrió recientemente la mecánica de una clase de compuestos llamados argiroditas, llamados así por un mineral que contiene plata, que tienen el potencial de usarse como electrolitos en estado sólido. baterías y convertidores en energía termoeléctrica.

Construidos a partir de estructuras cristalinas estables compuestas por dos elementos que se mantienen en su lugar y un tercero que puede moverse libremente por la estructura química, los compuestos de argirodita pueden incluir plata, germanio, azufre y otros elementos. Su ventaja reside en que el marco es bastante flexible, lo que permite una variedad de combinaciones posibles.

Para el estudio reciente, los investigadores utilizaron neutrones y rayos X, haciendo rebotar estas partículas de rápido movimiento en los átomos en un compuesto hecho de plata, estaño y selenio. Esto permitió a los científicos revelar el comportamiento molecular del compuesto en tiempo real. Luego, los datos se analizaron mediante aprendizaje automático y un modelo computacional que se basó en simulaciones de mecánica cuántica.

Los hallazgos del estudio, publicado en la revista Nature, podrían dar lugar a una serie de nuevas posibilidades de almacenamiento de energía, desde la creación de paredes de baterías para los hogares hasta vehículos eléctricos que se cargan extremadamente rápido.

Como señaló en un comunicado de prensa el coautor del estudio, el profesor asociado de ingeniería mecánica y ciencia de materiales de la Universidad de Duke, Olivier Delaire, "este estudio sirve para comparar nuestro enfoque de aprendizaje automático que ha permitido enormes avances en nuestra capacidad para simular estos materiales en sólo "Un par de años", y agregó: "Creo que esto nos permitirá simular rápidamente nuevos compuestos de manera virtual para encontrar las mejores recetas que estos compuestos tienen para ofrecer".

Investigadores de la Universidad RMIT de Australia han explorado otro enfoque prometedor para reemplazar las baterías de iones de litio, que emplearon el nanomaterial MXene en una búsqueda para crear baterías de teléfonos celulares reciclables que tendrían una vida útil hasta tres veces mayor que la tecnología actual.

Las baterías creadas con este material podrían durar hasta nueve años, utilizando ondas sonoras de alta frecuencia para eliminar el óxido que se acumula y afecta el rendimiento de la batería.

MXene tiene similitudes con el grafeno y ofrece una alta conductividad eléctrica. Como explicó en un comunicado de prensa Leslie Yeo, profesora de ingeniería química en la Universidad RMIT e investigadora principal, "a diferencia del grafeno, los MXenes son altamente adaptables y abren toda una gama de posibles aplicaciones tecnológicas en el futuro".

Sin embargo, una advertencia con el uso de MXene es que puede oxidarse fácilmente, lo que dificulta la conductividad eléctrica, lo que lo haría inutilizable.

Interesting Engineering se puso en contacto con el profesor Yeo para obtener más comentarios sobre cómo su equipo ideó una manera de sortear esta limitación de MXene mediante el uso de ondas sonoras.

El profesor Yeo explicó que la motivación principal para encontrar alternativas al litio radica en su relativa escasez, así como en "las consideraciones ambientales y geopolíticas" asociadas con la extracción de litio.

“Los MXenes tienen una serie de atributos deseables que los convierten en candidatos prometedores para materiales de electrodos, aditivos conductores y otros componentes (por ejemplo, capas protectoras) en baterías, entre ellos su muy alta capacidad reversible y estabilidad cíclica, así como su muy alta conductividad eléctrica. " Explicó, y agregó que "la diversidad de su composición y química de superficie, que permite su sostenibilidad, y su hidrofilicidad, también son características clave del material que lo hacen muy atractivo, al igual que su costo relativamente bajo".

El profesor también profundizó en la técnica específica ideada por su equipo para eliminar el óxido de las baterías basadas en MXene, señalando que su investigación aún se encuentra en una etapa inicial. Los investigadores han podido eliminar las capas de óxido de los MXenes exponiéndolos a vibraciones de alta frecuencia, aunque es necesario realizar más pruebas para encontrar la implementación más práctica de este método.

Si bien no estaba listo para decir exactamente cómo los dispositivos de consumo utilizarían este enfoque para reactivar las baterías, el profesor Yeo compartió que, en la escala de reciclaje industrial, el proceso implicaría "rendimiento a través de la paralelización masiva de la tecnología a escala de chips (utilizar muchos chips utilizamos para generar la vibración dado que el costo de cada chip puede ser muy bajo explotando las economías de escala asociadas con la nanofabricación masiva a escala de obleas).

Una de las áreas más inesperadas para mejorar las baterías de iones de litio es cortesía de investigadores de Escocia, cuyo objetivo es utilizar algas marinas disponibles en abundancia. El equipo de la empresa escocesa Marine Biopolymers y la Facultad de Química de la Universidad de Glasgow están explorando la posibilidad de utilizar alginatos personalizados, un material que se puede encontrar en las algas pardas, para reemplazar un ingrediente clave en las baterías y lograr una vida útil mucho más larga.

Crédito: Lauren Holding / Unsplash

Los electrodos de grafito o carbono son un componente estándar de las baterías de iones de litio, pero tienen limitaciones en la cantidad de carga que se puede almacenar, así como en la vida útil.

Una alternativa al grafito podría ser el silicio, que puede multiplicar por diez la capacidad de carga. Pero el silicio tiene su propio talón de Aquiles: debido a que se expande y contrae con cada ciclo de la batería, finalmente se agrieta. El equipo detrás del nuevo enfoque propone utilizar el alginato en una batería de silicio para ayudar a la elasticidad del electrodo y la capacidad de almacenamiento de energía.

Hasta ahora, el equipo ha podido crear y probar con éxito un prototipo del tamaño de una pila de reloj. Ahora están trabajando en el desarrollo de una batería más grande que utilice alginatos de algas, con el objetivo de crear baterías para alimentar una serie de productos para los consumidores y la industria, incluidos los vehículos eléctricos.

El profesor Duncan Gregory, catedrático de materiales inorgánicos de la Facultad de Química de la Universidad de Glasgow, considera que este trabajo tiene un impacto ambiental potencialmente grande. Compartió en una entrevista reciente que los avances en la tecnología de baterías son una parte clave de la transición hacia los combustibles fósiles.

De hecho, el futuro de los vehículos eléctricos y la producción de energía renovable depende de baterías que puedan almacenar más energía en volúmenes más pequeños y con una vida útil mucho mayor. Gregory también afirmó que "necesitamos encontrar métodos de producción más sostenibles y formas de utilizar materiales naturales como parte de la fabricación de baterías".

Uno de los principales objetivos para ir más allá del paradigma de las baterías de iones de litio es desarrollar una tecnología que sea más sostenible. Una empresa con sede en el Reino Unido, AMTE Power, apuesta por el sodio como alternativa al litio.

Mientras que las baterías de iones de litio convencionales utilizan litio y cobalto, las celdas de AMTE utilizan sodio. Esto ofrece enormes ventajas potenciales, ya que el sodio está ampliamente disponible y puede extraerse con un mínimo de energía. Debido a que carecen de metales pesados, las baterías de sodio también son mucho más fáciles de reciclar y más seguras de eliminar.

Si bien AMTE ha tenido dificultades financieras, no son los únicos que están dando una nueva mirada a las baterías de sodio. Investigadores de la Universidad de Texas en Austin han desarrollado un material para su uso en baterías a base de sodio que pueden recargarse tan rápido como una batería de iones de litio tradicional y tiene el potencial de producir una mayor energía que las baterías de iones de litio actuales.

Otras empresas, como la francesa Otonohm, están mejorando la sostenibilidad de otras maneras, utilizando software en lugar de hardware. Su sistema de gestión de batería (BMS) conmutado permite a los fabricantes retirar el cargador, convertidor y/o inversor de una cadena de transmisión o cadena de potencia.

Al reducir la batería y monitorear el estado de carga de cada celda, el BMS de Otonohm ofrece grandes mejoras en eficiencia, vida útil de la batería y confiabilidad.

La compañía afirma que su sistema funcionará con casi cualquier tipo de batería, ampliando su vida útil en casi un 30 % y proporcionando un 20 % más de energía disponible que las baterías convencionales.